escuela politÉcnica nacional

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y

TELECOMUNICACIONES TELECOMUNICACIONES

TRABAJO Nº7

•ALEMAN PEDRO

•GUALOTO ROBERTO

““TENDENCIA DE LA TENDENCIA DE LA ANTENAS PARA ANTENAS PARA COMUNICACIONES COMUNICACIONES INALÁMBRICAS”INALÁMBRICAS”

TEMA:

Contenido Contenido

Los parámetros más Los parámetros más importantes que toman en importantes que toman en cuenta, los diseñadores en la cuenta, los diseñadores en la creación de modelos, creación de modelos,

Herramientas para el diseño Herramientas para el diseño Modelos de antenas. Modelos de antenas.

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

La tendencia principal en La tendencia principal en comunicaciones inalámbricas:comunicaciones inalámbricas:

Reducción del tamaño de los Reducción del tamaño de los equipos de comunicación.equipos de comunicación.– Reducción de la antenaReducción de la antena– Reducción del rendimiento de Reducción del rendimiento de

antenaantena

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

La investigación en este La investigación en este campo ha permitido campo ha permitido obtener, ANTENAS obtener, ANTENAS relativamente pequeñas relativamente pequeñas con ganancias altascon ganancias altas

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

– Utilizan la banda ISM Utilizan la banda ISM (Industrial Scientific and Medical) (Industrial Scientific and Medical)

– No requiere de licencias No requiere de licencias de de frecuencias comprendida entre frecuencias comprendida entre 2,4 GHz y 2,5 GHzLas 2,4 GHz y 2,5 GHzLas comunicaciones inalámbricas nos comunicaciones inalámbricas nos brinda.brinda.

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

Servicio satelital Digital Audio Ra Servicio satelital Digital Audio Ra dio Service (SDARS)dio Service (SDARS)

El servicio esta diseñado para la El servicio esta diseñado para la difusión de alta calidad de audio, difusión de alta calidad de audio, música, noticias, deporte, video música, noticias, deporte, video para receptores móviles.para receptores móviles.

Dispositivos con tecnología Dispositivos con tecnología BluetoothBluetooth

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

CADA VEZ AMPLIAMOS NUESTRA CADA VEZ AMPLIAMOS NUESTRA CAPACIDAD DE MANIPULAR CAPACIDAD DE MANIPULAR INFORMACIÓN DE MANERA INFORMACIÓN DE MANERA INALAMBRICA.INALAMBRICA.

DE LA MANERA MÁS RAPIDA Y DE LA MANERA MÁS RAPIDA Y EFICIENTE QUE ES LO QUE LE EFICIENTE QUE ES LO QUE LE INTERESA AL USUSARIO.INTERESA AL USUSARIO.

REQUERIMIENTOS DE REQUERIMIENTOS DE ANTENAS ANTENAS

HERRAMIENTAS DE HERRAMIENTAS DE MODELACION MODELACION

REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS DE ANTENAS DE ANTENAS Los parámetros a tomar en cuenta Los parámetros a tomar en cuenta

al modelar una antena, son:al modelar una antena, son: Ganancia Ganancia Eficiencia Eficiencia Potencia Potencia Polarización utilizadaPolarización utilizada Frecuencia/as en la que opera Frecuencia/as en la que opera

REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS DE ANTENAS DE ANTENAS Para implementar un Para implementar un

modelo hay que primero, modelo hay que primero, ver las necesidades ver las necesidades

Comunicación Comunicación –Punto a puntoPunto a punto–Punto multipuntoPunto multipunto

HERRAMIENTAS DE HERRAMIENTAS DE MODELACIONMODELACIONEncontramos diferentes Encontramos diferentes

métodos para modelar métodos para modelar una antena una antena

MININECMININECNECNECFDTDFDTD

HERRAMIENTAS DE HERRAMIENTAS DE MODELACIONMODELACIONMININECMININEC Llamado el método de los Llamado el método de los

momentosmomentos Es un método numérico Es un método numérico Mediante la discretización del Mediante la discretización del

problema, y la resolución de problema, y la resolución de ecuaciones resultantesecuaciones resultantes..

HERRAMIENTAS DE HERRAMIENTAS DE MODELACIONMODELACION FDTDFDTD Finite Difference Time Domain Finite Difference Time Domain

o FDTD o FDTD Para analizar geometrías que Para analizar geometrías que

pueden utilizar conductores, pueden utilizar conductores, dieléctricos y materiales dieléctricos y materiales magnéticos con pérdidas, magnéticos con pérdidas,

ANTENAS EMBEBIDAS ANTENAS EMBEBIDAS DE BAJO PERFILDE BAJO PERFIL La ganancia de la antena esta en La ganancia de la antena esta en

directa relación con su tamañodirecta relación con su tamaño La antenas de bajo perfil La antenas de bajo perfil

básicamente son antenas de básicamente son antenas de pequeño tamaño.pequeño tamaño.

Su uso en general es en Su uso en general es en dispositivos, inalámbricos portátiles.dispositivos, inalámbricos portátiles.

Son antenas de alta eficiencia.Son antenas de alta eficiencia.

WC-PIFAWC-PIFA Los principales desarrollos, han Los principales desarrollos, han

sido en la forma para ampliar el sido en la forma para ampliar el ancho de banda de las antenas ancho de banda de las antenas en la familia PIFA sin sacrificar el en la familia PIFA sin sacrificar el rendimiento.rendimiento.

La antena compacta (WCPIFA) La antena compacta (WCPIFA) puede ser embebida dispositivos puede ser embebida dispositivos inalámbricosinalámbricos

WC-PIFAWC-PIFA

WC-PIFAWC-PIFA

Esta antena también cubre Esta antena también cubre bandas GPS, PCS, de 2G bandas GPS, PCS, de 2G segunda generación.segunda generación.

Esta propiedad multibanda Esta propiedad multibanda ayudará a la transición de ayudará a la transición de la 2G a la 3G.la 2G a la 3G.

Lóbulo de RadiaciónLóbulo de Radiación

Características Características

• • Frecuencia 1.525 – 2.515 Frecuencia 1.525 – 2.515 GHzGHz

• • Ganancia tipica2.5 dBiGanancia tipica2.5 dBi • • Patron de radiación Patron de radiación

OmnidireccionalOmnidireccional • • Polarization LinealPolarization Lineal • • Impedancia nominal 50 Impedancia nominal 50 ΩΩ

AplicacionesAplicaciones

• • E911 (GPS)E911 (GPS) • • DCS-1800DCS-1800 • • PCS-1900PCS-1900 • • IMT2000/UMTSIMT2000/UMTS • • ISM (WLAN)ISM (WLAN) • • BLUETOOTHBLUETOOTH

Antena espiral (SLH).Antena espiral (SLH).

Antena espiral (SLH).Antena espiral (SLH).

La geometría maximiza el La geometría maximiza el rendimiento y eficiencia de rendimiento y eficiencia de la antena mientras la antena mientras minimiza el tamaño, usa minimiza el tamaño, usa una polarizacion circular.una polarizacion circular.

Especificaciones tipicas Especificaciones tipicas para 2.4 GHz WLAN SLHpara 2.4 GHz WLAN SLH

Frecuencia 2.2 – 2.6 GHzFrecuencia 2.2 – 2.6 GHz VSWR < 2:1VSWR < 2:1 Ganancia tipica 10 dBicGanancia tipica 10 dBic Impedancia Nominal 50 Impedancia Nominal 50

ohmohm Size 3.75” x 3.75” x 6”Size 3.75” x 3.75” x 6”

Patrón de Radiación Patrón de Radiación

Ganancia vs frecuenciaGanancia vs frecuencia

AplicacionesAplicaciones

WLAN, 802.11WLAN, 802.11 BluetoothBluetooth Satellite communicationsSatellite communications PCSPCS

ANTENAS BANDA ANTENAS BANDA EXTENDIADA Y MULTI EXTENDIADA Y MULTI BANDASBANDAS

Por medio de estas antenas los usuarios Por medio de estas antenas los usuarios móviles acceden a varios serviciosmóviles acceden a varios servicios

Servicios de comunicación móvilServicios de comunicación móvil Posicionamiento, localizaciónPosicionamiento, localización Servicios celulares a 800Mhz PCS y Servicios celulares a 800Mhz PCS y

GSM a 1990Mhz GPS a 1500Mhz GSM a 1990Mhz GPS a 1500Mhz Bandas sin licencias de 2400MhzBandas sin licencias de 2400Mhz

ANTENAS BANDA ANTENAS BANDA EXTENDIADA Y MULTI EXTENDIADA Y MULTI BANDASBANDAS Radiodifusión AM/FM Radiodifusión AM/FM

convencional que se hallan convencional que se hallan tradicionalmente en vehículostradicionalmente en vehículos

ANTENA SINUOUSANTENA SINUOUS

ANTENA SINUOUSANTENA SINUOUS

caracteristicas caracteristicas Ancho de banda Ancho de banda Polarización circular Polarización circular Bajo perfil Bajo perfil Estas antenas son utilizadas en Estas antenas son utilizadas en

radio astronomía radio astronomía Sensores remotos. Sensores remotos.

Modelo analizado Modelo analizado utilizando métodos de utilizando métodos de momentos para deducir momentos para deducir el rendimientoel rendimiento

Mas antenasMas antenas

EspiralEspiral

Arreglo de antenas Arreglo de antenas

ARREGLO FOURSQUARE

Una mezcla de un arreglo de Una mezcla de un arreglo de antena, junto con antena, junto con procesamiento digital (DSP), procesamiento digital (DSP), que optimizan lo diagrama de que optimizan lo diagrama de transmisión dinámicamente transmisión dinámicamente en respuesta a una señal de en respuesta a una señal de interés en el entornointerés en el entorno

Antena inteligenteAntena inteligente

ARREGLOS Y ANTENAS ARREGLOS Y ANTENAS INTELIGENTESINTELIGENTES

En el caso de las antenas en general o de los arreglos se En el caso de las antenas en general o de los arreglos se define un patrón de radiación fijo. define un patrón de radiación fijo.

Un arreglo de antenas puede estar constituido por Un arreglo de antenas puede estar constituido por elementos activos y pasivos.elementos activos y pasivos.

En el caso particular de las antenas inteligentes se puede En el caso particular de las antenas inteligentes se puede trabajar con arreglos donde todos los elementos son trabajar con arreglos donde todos los elementos son activos.activos.

Sin embargo al hablar de “inteligencia”, siendo estrictos las Sin embargo al hablar de “inteligencia”, siendo estrictos las antenas no son inteligentes sino lo que es inteligente es el antenas no son inteligentes sino lo que es inteligente es el sistema dado que puede interactuar con el medio.sistema dado que puede interactuar con el medio.

Se puede decir que la inteligencia radica en la posibilidad Se puede decir que la inteligencia radica en la posibilidad de variar el patrón de radiación en su forma una vez se ha de variar el patrón de radiación en su forma una vez se ha implementado la antena.implementado la antena.

Una antena inteligente es la combinación de un arreglo Una antena inteligente es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con una unidad de procesamiento de antenas (arrays) con una unidad de procesamiento digital de señales (DSP) que optimiza los diagramas de digital de señales (DSP) que optimiza los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno.una señal de interés en el entorno.

Los elementos del arreglo deben ser seleccionados Los elementos del arreglo deben ser seleccionados cuidadosamente para permitir seguir la dirección del haz cuidadosamente para permitir seguir la dirección del haz principal de radiación dentro de un rango angular amplio y principal de radiación dentro de un rango angular amplio y una variedad de frecuencias.una variedad de frecuencias.

Se debe tener un espaciamiento adecuado entre los Se debe tener un espaciamiento adecuado entre los elementos del arreglo para tener una correcta radiación del elementos del arreglo para tener una correcta radiación del haz principal y evitar interferencias.haz principal y evitar interferencias.

Transmitiendo a una misma potencia, se pueda recibir la Transmitiendo a una misma potencia, se pueda recibir la señal a una mayor distancia.señal a una mayor distancia.

Se incrementa la sensibilidad de la antena de recepción, Se incrementa la sensibilidad de la antena de recepción, por lo tanto se puede transmitir a una potencia mas baja e por lo tanto se puede transmitir a una potencia mas baja e incidir directamente en el consumo de baterías.incidir directamente en el consumo de baterías.

El sistema de antenas inteligentes puede radiar a una El sistema de antenas inteligentes puede radiar a una potencia menor por lo cual se puede reducir las potencia menor por lo cual se puede reducir las especificaciones de los amplificadores de potencia especificaciones de los amplificadores de potencia reduciendo los costos de los mismos.reduciendo los costos de los mismos.

Debido a la menor dispersión angular de la radiación desde Debido a la menor dispersión angular de la radiación desde el sistema de antenas inteligentes, se reducirán el sistema de antenas inteligentes, se reducirán significativamente los trayectos múltiples de la información significativamente los trayectos múltiples de la información

Por el uso de más de una antena en el transmisor y en el Por el uso de más de una antena en el transmisor y en el receptor, un sistema de comunicaciones debe explotar receptor, un sistema de comunicaciones debe explotar efectivamente los múltiples canales.efectivamente los múltiples canales.

Por tanto puede soportar comunicaciones con tasas de Por tanto puede soportar comunicaciones con tasas de transferencia de datos mas allá de los predecidos por el teorema transferencia de datos mas allá de los predecidos por el teorema de Shannon para un canal simplede Shannon para un canal simple..

Mediante sistemas de antenas inteligentes se consigue:Mediante sistemas de antenas inteligentes se consigue: Aumentar la capacidad de conexión a múltiples usuarios Aumentar la capacidad de conexión a múltiples usuarios

simultáneamente.simultáneamente. Incremento de la Capacidad y la confiabilidad.Incremento de la Capacidad y la confiabilidad. Reducción de potencia de transmisión.Reducción de potencia de transmisión. Reducción de Propagación multitrayecto.Reducción de Propagación multitrayecto. Reducción del Nivel de interferencia.Reducción del Nivel de interferencia. Incremento del nivel de seguridad.Incremento del nivel de seguridad.

El testbed (prototipo de pruebas), El testbed (prototipo de pruebas), mostrado en la Figura 8, opera en la mostrado en la Figura 8, opera en la banda de los celulares.banda de los celulares.

Dependiendo de la configuración del Dependiendo de la configuración del sistema de antenas inteligentes, se sistema de antenas inteligentes, se pueden tener dos situaciones:pueden tener dos situaciones:

Captación de la Onda principal de la Captación de la Onda principal de la señal de interés, eliminando las señales señal de interés, eliminando las señales multitrayecto propias y las señales multitrayecto propias y las señales interferentes de otros usuarios.interferentes de otros usuarios.

Captación de la onda principal de la Captación de la onda principal de la señal de interés aprovechando la señal de interés aprovechando la captación de sus señales multitrayecto, captación de sus señales multitrayecto, para reforzar la señal principal, y para reforzar la señal principal, y eliminar las señales interferentes de eliminar las señales interferentes de otros usuarios.otros usuarios.

La reducción del nivel de interferencia reduce la tasa La reducción del nivel de interferencia reduce la tasa

de error (BER), lo que permite aumentar la calidad de de error (BER), lo que permite aumentar la calidad de la transmisión de la información.la transmisión de la información.

La selectividad espacial que proporciona el sistema, La selectividad espacial que proporciona el sistema, permite discernir las señales interferentes permite discernir las señales interferentes provenientes de otros usuarios.provenientes de otros usuarios.

Con esto se logra hacer insensible a la antena Con esto se logra hacer insensible a la antena receptora en esas direcciones y evitar que esas receptora en esas direcciones y evitar que esas señales sean procesadas en el sistema de recepción.señales sean procesadas en el sistema de recepción.

Puesto que la transmisión es direccional, es muy difícil Puesto que la transmisión es direccional, es muy difícil que otro equipo intercepte la comunicación, por tanto que otro equipo intercepte la comunicación, por tanto se incrementa la seguridad del enlace.se incrementa la seguridad del enlace.

TIPOS DE ANTENAS TIPOS DE ANTENAS INTELIGENTESINTELIGENTES

DE HAZ CONMUTADODE HAZ CONMUTADO

Se genera varios haces a Se genera varios haces a ángulos prefijados que se van ángulos prefijados que se van conmutando secuencialmente conmutando secuencialmente dando como resultado un dando como resultado un barrido discreto de la zona de barrido discreto de la zona de cobertura en posiciones cobertura en posiciones angulares fijas.angulares fijas.

En cada posición discreta del En cada posición discreta del haz se activa el sistema de haz se activa el sistema de recepción para determinar la recepción para determinar la posible existencia de señales .posible existencia de señales .

En caso de recibir la señal, el En caso de recibir la señal, el sistema guarda información sistema guarda información correspondiente a la posición correspondiente a la posición del haz (ángulo + del haz (ángulo + identificación de usuario) y se identificación de usuario) y se establece la comunicación con establece la comunicación con el usuario en un intervalo de el usuario en un intervalo de tiempo. tiempo.

SISTEMA HAZ DE SEGUIMIENTOSISTEMA HAZ DE SEGUIMIENTO

Formado por un arreglo de antenas con una red de Formado por un arreglo de antenas con una red de excitación que permite controlar electrónicamente las fases excitación que permite controlar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los elementos de las corrientes de excitación que llegan a los elementos del arreglo para modificar la dirección del haz del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente. convenientemente.

SISTEMA DE HAZ ADAPTATIVO SISTEMA DE HAZ ADAPTATIVO

En este sistema las salidas de cada elemento se ponderan con un En este sistema las salidas de cada elemento se ponderan con un valor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un valor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un diagrama de radiación que presente el haz principal hacia la diagrama de radiación que presente el haz principal hacia la ubicación del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios ubicación del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes del multitrayecto de la hacia las direcciones de las componentes del multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos de la radiación en las direcciones señal deseada y mínimos o nulos de la radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.de las fuentes de interferencia.

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

En el caso de las antenas en general o de los En el caso de las antenas en general o de los arreglos se define un patrón de radiación fijo. arreglos se define un patrón de radiación fijo.

Las antenas inteligentes trabajan con arreglos Las antenas inteligentes trabajan con arreglos donde todos los elementos son activos.donde todos los elementos son activos.

Al hablar de “inteligencia”, las antenas no son Al hablar de “inteligencia”, las antenas no son inteligentes sino lo que es inteligente es el sistema inteligentes sino lo que es inteligente es el sistema dado que puede interactuar con el mediodado que puede interactuar con el medio

Se debe tomar muy encuenta las aplicaciones, el Se debe tomar muy encuenta las aplicaciones, el ancho de banda disponible y los servicios que se ancho de banda disponible y los servicios que se va prestar mediante estas antenas.va prestar mediante estas antenas.

Se pueden utilizar múltiples antenas o elementos ya sean Se pueden utilizar múltiples antenas o elementos ya sean omnidireccionales o direccionales para formar arreglos.omnidireccionales o direccionales para formar arreglos.

Es importante tomar encuenta la separación entre los elementos así Es importante tomar encuenta la separación entre los elementos así como la Interacción electromagnética entre estos. como la Interacción electromagnética entre estos.

La reducción del nivel de interferencia reduce la tasa de error La reducción del nivel de interferencia reduce la tasa de error (BER).(BER).

Se soporta comunicaciones con tasas de transferencia de datos Se soporta comunicaciones con tasas de transferencia de datos mas allá de los predecidos por el teorema de Shannon para un mas allá de los predecidos por el teorema de Shannon para un canal simplecanal simple..

Incremento de la Capacidad y la confiabilidad.Incremento de la Capacidad y la confiabilidad.

Reducción de potencia de transmisión.Reducción de potencia de transmisión.

Reducción de Propagación multitrayecto.Reducción de Propagación multitrayecto.

Reducción del Nivel de interferencia.Reducción del Nivel de interferencia.

Incremento del nivel de seguridadIncremento del nivel de seguridad

Se tiene tres tipos de antenas inteligentesSe tiene tres tipos de antenas inteligentes

De haz conmutadoDe haz conmutado

De haz de SeguimientoDe haz de Seguimiento

De haz AdaptativoDe haz Adaptativo

Siendo el de haz adaptativo el mayor Siendo el de haz adaptativo el mayor rendimiento e inteligenciarendimiento e inteligencia

La diferencia entre las de haz conmutado y de La diferencia entre las de haz conmutado y de haz de seguimiento es que el de haz haz de seguimiento es que el de haz conmutado tiene posiciones angulares fijas y conmutado tiene posiciones angulares fijas y el de seguimiento no.el de seguimiento no.