implementación de un arreglo de antenas doble banda

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Implementación de un arreglo de antenas doble banda

resonante a 28 GHz y 38 GHz para la Quinta Generación

Móvil”

Autor: Ailen Capó Vega

Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra

Santa Clara

2017

"Año 59 de la Revolución"

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Implementación de un arreglo de antenas doble banda

resonante a 28 GHz y 38 GHz para la Quinta Generación

Móvil”

Autor: Ailen Capó Vega

E-mail: [email protected]

Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra

E-mail: [email protected]

Santa Clara

2017

"Año 59 de la Revolución"

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu”

de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en

Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los

fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en

eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.

____________________

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección

de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura

referido a la temática señalada.

___________________

Firma del Tutor

_____________________ ________________________

Firma del Jefe de Departamento Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

i

PENSAMIENTO

El aspecto más triste de la vida actual es que la ciencia gana en

conocimiento más rápidamente que la sociedad en sabiduría.

Isaac Asimov

ii

DEDICATORIA

A mis padres

iii

AGRADECIMIENTOS

A Dios por ser el principal mentor de este proyecto y el mejor refugio en mis

momentos de angustia.

A mis padres, Anita y Pablo I, por ser fuente de amor y apoyo constante e

incondicional durante toda mi vida.

A mi esposo Dayan por su paciencia y comprensión durante mis duros años de

carrera profesional. Gracias por tus cuidados, amor y por ese bebé tan lindo que

vamos a compartir en breve.

A mi familia por ser el mejor resguardo de amor que existe, en especial a mis dos

hermanas, Yania y Anabel.

A mis compañeros de aula, en especial a Collazo, Yordany, Carlos, Joaquín,

Dairon, Rigoberto, Geovanny, Amanda y Grether, por aguantarme todos estos

años, por los momentos felices que compartimos y por todo el apoyo que me

dieron en los amargos períodos de prueba y estrés.

A mis más grandes amigas, Cindy y Lismary por enseñarme el valor de la

amistad y ser parte fundamental en mi formación como persona ¡Desde la

antigüedad! ja ja ja.

A todos los profesores que han intervenido en mi formación como profesional y

a mi tutor por sus acertadas orientaciones metodológicas.

iv

TAREA TÉCNICA

Para lograr la confección del presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, se

desarrollaron las tareas técnicas siguientes:

Realización de una revisión bibliográfica de las características de la banda milimétrica y

de las antenas inteligentes, determinando las particularidades que hacen factible su

utilización en la 5G.

Identificación de los parámetros fundamentales de las antenas y los tipos de antenas que

se emplean para las frecuencias de la banda milimétrica, así como los arreglos de antenas

más utilizados.

Descripción de las herramientas a emplear para la simulación de antenas para la banda

milimétrica.

Implementación de un arreglo de antenas resonante a las frecuencias 28 GHz y 38 GHz,

utilizando MatLab y CST Microwave Studio.

Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.

__________________ _________________

Firma del Autor Firma del Tutor

v

RESUMEN

Los requerimientos de ancho de banda que posee la (5G), hacen necesario el empleo del

amplio espectro disponible en las altas frecuencias de la banda milimétrica. Las antenas

inteligentes se presentan como una tecnología prometedora para suplir muchas de las

desventajas que se presentan en la propagación de las ondas en este rango de frecuencias tan

elevadas, dado que son direcccionables y poseen gran ganancia. En el presente trabajo, se

caracterizó la 5G, la banda milimétrica, las antenas inteligentes y se exponen investigaciones

acerca de antenas y arreglos de antenas diseñadas para el trabajo en las frecuencias 28 GHz

y 38 GHz. Además, se identificaron los parámetros fundamentales que caracterizan el

funcionamiento de las antenas de este tipo, los arreglos más utilizados y se hace una

descripción de algunas herramientas útiles en el proceso de diseño de las mismas. En la

investigación se realiza el diseño de una antena de parche resonante a dos frecuencias de la

banda milimétrica, 28 GHz y 38 GHz, utilizando MatLab y CST Microwave Studio. La

antena de parche sirvió como base en la implementación de un arreglo de seis elementos, y

a través de comparaciones realizadas a los resultados obtenidos en las simulaciones, se llega

a la conclusión de que existen evidentes mejoras en el desempeño de los arreglos de antenas.

vi

ÍNDICE

PENSAMIENTO .................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................. ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv

RESUMEN ................................................................................................................... v

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2

CAPÍTULO 1. LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA

MILIMÉTRICA PARA LA 5G. ............................................................................................. 6

1.1 Aspectos generales de la 5G ............................................................................. 6

1.1.1 Requisitos principales para la 5G ..................................................................... 7

1.2 Características principales de la banda milimétrica .......................................... 8

1.2.1 Ventajas y limitantes en el uso de la banda milimétrica ................................... 9

1.2.2 Solución a las principales limitantes del uso de la mmWave en la 5G .......... 10

1.3 Características generales de las antenas inteligentes ...................................... 11

1.3.1 Tipos de antenas inteligentes .......................................................................... 12

1.3.2 Ventajas y desventajas en el uso de antenas inteligentes ................................ 14

1.4 Investigaciones acerca de antenas y arreglos de antenas multibanda

resonantes a 28 GHz y 38 GHz ......................................................................................... 16

1.5 Conclusiones parciales .................................................................................... 18

CAPÍTULO 2. LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS

CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G .................................................... 20

2.1 Parámetros básicos de las antenas .................................................................. 20

2.1.1 Directividad y Ganancia ................................................................................. 21

vii

2.1.2 Diagrama de radiación o patrón de radiación ................................................. 22

2.1.3 Ancho del haz ................................................................................................. 23

2.1.4 Impedancia de entrada .................................................................................... 23

2.1.5 Eficiencia de la antena .................................................................................... 24

2.1.6 Polarización .................................................................................................... 24

2.1.7 Ancho de Banda .............................................................................................. 25

2.1.8 Intensidad de campo ....................................................................................... 25

2.1.9 Relación front to back ..................................................................................... 26

2.2 Tipos de antenas según su estructura .............................................................. 26

2.2.1 Características de las antenas de parche ......................................................... 27

2.2.2 Métodos de alimentación de las antenas de parche ........................................ 28

2.2.3 Ventajas y desventajas de las antenas de microcinta ...................................... 30

2.2.4 Métodos de análisis ......................................................................................... 30

2.3 Los arreglos de antenas en los sistemas de telecomunicaciones .................... 32

2.3.1 Elementos de un arreglo ................................................................................. 34

2.4 Herramientas para el cálculo numérico y la simulación de antenas ............... 34


CAPÍTULO 3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN ARREGLO DE ANTENA

RESONANTE A 28 GHZ Y 38 GHz. .................................................................................. 37

3.1 Pasos para el diseño de un arreglo de antenas doble banda resonante a 28GHz

y 38 GHz ........................................................................................................................ 37

3.1.1 Especificaciones técnicas a alcanzar ............................................................... 38

3.2 Diseño de una antena de parche resonante a 28 GHz ..................................... 38

3.2.1 Selección de la forma del parche, los materiales a utilizar y sus respectivos

espesores ....................................................................................................................... 39

viii

3.2.2 Selección del tipo de alimentación y el método de análisis para obtener las

dimensiones iniciales de la antena ................................................................................ 40

3.2.3 Modelación, simulación y análisis de resultados de la antena de parche

resonante a 28GHz ........................................................................................................ 41

3.2.4 Optimización de la antena de parche resonante a 28GHz .............................. 42

3.3 Diseño de una antena resonante a 28 GHz y a 38 GHz a partir del elemento

radiante diseñado previamente .......................................................................................... 44

3.3.1 Optimización de la antena de parche resonante a 28 GHz y 38 GHz ............. 46

3.4 Diseño de un arreglo de antenas 2x3 .............................................................. 49

3.4.1 Optimización de la antena de parche resonante a 28 GHz y 38 GHz ............. 50


CONCLUSIONES ................................................................................................................ 51

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 53

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 54

ANEXOS ................................................................................................................. 57

Anexo 1 Valores típicos de eficiencias en diferentes tipos de antena .......................... 57

Anexo 2 Representación de los métodos de alimentación de antenas de parche ......... 57

Anexo 3 Programación en MATLAB del método de línea de transmisión para calcular

las dimensiones del parche ............................................................................................... 58

Anexo 4 Resultados obtenidos mediante la función DimParche ................................... 58

Anexo 5 Programación en MATLAB de las ecuaciones para calcular las dimensiones

de acople para la antena de parche .................................................................................... 59

Anexo 6 Resultados obtenidos mediante la función MatchDim() ................................. 59

Anexo 7 Características de los materiales de la antena ................................................. 60

Anexo 8 Dimensiones preliminares de la antena de parche resonante a 28 GHz ......... 60

ix

Anexo 9 Dimensiones preliminares del acople ............................................................. 60

Anexo 10 Dimensiones finales de la antena de parche resonante a 28 GHz ................... 60

Anexo 11 Dimensiones finales del acople después de la optimización .......................... 60

Anexo 12 Representación de la ganancia para f = 28 GHz y f = 38 GHz en el patrón de

radiación de la antena de parche doble banda ................................................................... 61

Anexo 13 Representación de la ganancia para f = 28 GHz y f = 38 GHz en el patrón de

radiación de la antena de parche doble banda optimizada ................................................ 62

Anexo 14 Arreglo de antenas de 6 elementos con ranuras para la alimentación

independiente. ................................................................................................................... 63

Anexo 15 Patrón de radiación del arreglo doble banda para f=28 GHz graficando

ganancia ........................................................................................................................ 64


ganancia ........................................................................................................................ 64

Anexo 17 Patrón de radiación del arreglo doble banda para f = 28 GHz graficando

directividad ....................................................................................................................... 65


directividad ....................................................................................................................... 65

Anexo 19 Nivel de lóbulos laterales (LSS) para 28 GHz ................................................ 66

Anexo 20 Nivel de lóbulos laterales (LSS) para 38 GHz ................................................ 66

Anexo 21 Pérdidas de retorno para cada elemento del arreglo ....................................... 67

Anexo 22 Funcionalidad como antena inteligente .......................................................... 69





INTRODUCCIÓN

Con el avance de la tecnología se ha podido lograr que la comunicación móvil incorpore

funcionalidades que hace sólo pocas décadas parecían futuristas debido, en gran parte, al

impacto que ha tenido en la sociedad moderna, no solo en los países desarrollados sino

también en numerosos países subdesarrollados, ya que integra disímiles servicios y

representa comodidad debido a su movilidad. Dicho avance ha dejado a su paso una serie de

generaciones de la telefonía móvil que a medida que progresan, muestran superioridad

tecnológica con respecto a la generación anterior.

La primera generación móvil estuvo caracterizada por utilizar tecnología analógica, estos

sistemas estaban basados principalmente en conmutación de circuitos y eran diseñados

únicamente para la transmisión de voz. A esta le sucedió, aproximadamente 10 años más

tarde, la segunda generación donde se introdujeron protocolos de telefonía digital que además

de permitir más enlaces simultáneos en un mismo ancho de banda, integró otros servicios

como el envío de mensajes de texto cortos y datos de baja velocidad. Más tarde aparecen

especificados los requerimientos de la Tercera Generación (3G), la cual ofrece un servicio

con mayor grado de seguridad que la generación predecesora y brinda la posibilidad de

transferir tanto datos y voz, como datos y no voz [1]. La Cuarta Generación (4G) está basada

completamente en el protocolo IP, la principal diferencia con las predecesoras es la capacidad

para proveer velocidades de acceso mayores de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo,

alta calidad de video, y gran escalabilidad [2].

Se prevé que la Quinta Generación Móvil (5G) pueda ser introducido en las cercanías del

2020, las diferencias principales comparadas a 4G estarán en el uso de antenas direccionales

en los dispositivos móviles y estaciones bases, vida de la batería más larga, baja probabilidad

de desconexión, mayores razones de bit en porciones más largas del área de cobertura,

INTRODUCCIÓN 3

menores costos de infraestructura y mayores capacidades agregadas para muchos usuarios

simultáneos en los dos espectros: el autorizado y el espectro ilícito [3]. Todas estas

prestaciones serán posibles mediante el uso de asignaciones del espectro en las frecuencias

de la banda milimétrica sin explotar, comprendida en el rango de 30GHz a 300GHz. Se

recurre a esta parte de la banda milimétrica debido a que para las necesidades de grandes

cantidades de nuevo ancho de banda que esta generación demanda, es necesario un aumento

de la frecuencia, ya que el espectro actualmente utilizado en los sistemas inalámbricos está

casi totalmente ocupado [3], [4].

El uso de antenas direccionales se vuelve una necesidad ya que las ondas en la banda

milimétrica no pueden viajar largas distancias. Estas antenas ayudan a enfocar la potencia de

la señal en una dirección deseada [5]. Los sistemas de antenas inteligentes pueden ser, por

tanto, una buena solución a las necesidades actuales en las comunicaciones ya que el haz

principal del patrón es transmitido directamente hacia un usuario específico, logrando así,

una conectividad más económica y eficiente [6]. Para el diseño de estas antenas se emplean,

en este caso, herramientas de software como MatLab y CST Microwave Studio que aseguran

un trabajo más preciso, rápido y eficiente con los cálculos numéricos.

El mercado cubano aún está en fase de despliegue de la tecnología 2G y 3G, y se han hecho

escasas investigaciones con respecto a la telefonía móvil de 5G. Sin embargo en la Directiva

presidencial de política: "Normalización de las relaciones entre Estados Unidos y Cuba"

emitida por el presidente Barack Obama y publicada en el Periódico Granma el 20 de octubre

de 2016, el mandatario afirma que el Departamento de Estado apoyará el sector de las

telecomunicaciones en Cuba, de ahí la relevancia de hacer una investigación exhaustiva

acerca de esta generación móvil con el objetivo de prever su llegada a dicho país [7].

En la Universidad Marta Abreu de Las Villas se han desarrollado algunas investigaciones

acerca del diseño de arreglos de antenas para la 5G para una sola banda de frecuencias, mas

no se ha indagado lo concerniente al diseño de antenas en múltiples bandas de frecuencia,

cuestión que se fundamentará a lo largo del trabajo, para crear, con ayuda de la herramienta

CST Microwave Studio, un esquema que pueda servir como base a una implementación

futura de esta tecnología. De ahí a que sea de gran relevancia para la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y en especial para la Facultad de Ingeniería Eléctrica, así

INTRODUCCIÓN 4

como para las personas que deseen conocer y/o investigar los aspectos teóricos y prácticos que

se exponen en esta investigación.

Teniendo en cuenta las cuestiones abordadas anteriormente, se plantea el siguiente problema

de investigación: ¿Cómo diseñar un arreglo de antenas multibanda para la Quinta

Generación Móvil que opere en las frecuencias 28 GHz y 38 GHz?

Esta investigación tiene como objeto de estudio la Quinta Generación de las

Comunicaciones y el campo de estudio lo constituyen los arreglos de antenas para ondas

milimétricas.

Para dar cumplimiento al problema de investigación, se propone el siguiente objetivo

general: Implementar un arreglo de antenas que opere en las frecuencias 28 GHz y 38 GHz,

para su posible utilización en la Quinta Generación Móvil.

Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se

plantean los siguientes objetivos específicos:

Caracterizar la banda milimétrica y las antenas inteligentes, determinando las

particularidades que hacen factible su utilización en la 5G.

Identificar los parámetros fundamentales de las antenas y los tipos de antenas que se

emplean para las frecuencias de la banda milimétrica, así como los arreglos de antenas

más utilizados.

Caracterizar las herramientas utilizadas para el diseño y simulación de antenas en la

banda milimétrica.

Implementar con el CST Microwave Studio y el MatLab, un arreglo de antenas

multibanda resonante a las frecuencias 28 GHz y 38 GHz, determinando su eficacia para

su utilización en la Quinta Generación Móvil.

De los objetivos específicos propuestos, surgen las siguientes interrogantes científicas, a

las cuales se les dan respuestas en el desarrollo de la investigación:

¿Cuáles son las características de la Quinta Generación sobre la generación anterior que

hacen que sea necesaria su implementación en la actualidad?

¿Cuáles son los tipos de antenas y arreglos más utilizados para las frecuencias de la banda

milimétrica?

INTRODUCCIÓN 5

¿Qué características tienen las herramientas utilizadas para el diseño y simulación de las

antenas en la banda milimétrica?

¿Cómo implementar arreglos de antenas doble banda para las frecuencias 28 y 38 GHz

utilizando CST Microwave Studio y MatLab?

Para cumplir los objetivos establecidos, el informe de la investigación se estructuró en:

introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y

anexos.

En el primer capítulo se exponen aspectos generales acerca de la 5G, los requisitos

principales que deben cumplir estos sistemas; particularidades de la banda milimétrica y de

los sistemas de antenas inteligentes. Además se exhiben investigaciones acerca del diseño de

antenas doble banda, resonantes a las frecuencias 28 GHz y 38 GHz.

En el segundo capítulo se exponen los diferentes tipos de antenas que existen según su

estructura y los principales parámetros que presentan, haciendo mayor énfasis en las antenas

de microcinta debido a su gran aplicación en las frecuencias de la banda milimétrica. Se

mencionan las ventajas de utilizar arreglos de antenas, y finalmente se realiza una

caracterización del software CST Microwave Studio y MatLab aplicados para la simulación

y cálculo de las antenas.

En el tercer capítulo se realiza la implementación y simulación de un arreglo de antenas en

tres pasos de diseño utilizando el software CST Microwave Studio y MatLab como asistente

para los cálculos matemáticos necesarios. Se presentan las especificaciones técnicas que se

pretenden lograr como resultado en las simulaciones, y los criterios para la selección de los

materiales, métodos y formas de los elementos a utilizar. Finalmente se exponen las gráficas

resultantes del proceso de diseño y se comprueba mediante un ejemplo la posibilidad de

emplear el arreglo en un sistema de antenas inteligentes.

CAPÍTULO 1. LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES Y

LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G.

El sector de las comunicaciones móviles ha estado caracterizado, desde sus inicios, por un

rápido incremento a nivel mundial en las demandas de tráfico debido a la continua evolución

de los requerimientos y las expectativas, tanto de usuarios como operadores. Actualmente el

interés en la 5G ha venido creciendo gradualmente y se han estado realizando varias

investigaciones encaminadas a su pronta implementación y estandarización.

En el presente capítulo se exponen aspectos generales acerca de la 5G, los requisitos

principales que deben cumplir estos sistemas; particularidades de la banda milimétrica y de

los sistemas de antenas inteligentes. Además se exhiben investigaciones acerca del diseño de

antenas doble banda resonantes a 28 GHz y 38 GHz.

1.1 Aspectos generales de la 5G

Se espera que las nuevas redes móviles 5G sean desplegadas en el 2020 y que entreguen

aproximadamente 1,000 veces más capacidad que la 4G. Además, se prevé una significativa

mejora en la calidad de servicio (QoS) de las comunicaciones en la red 5G a pesar de que

debe incorporar un número masivo de dispositivos conectados que pueden alcanzar a 100

veces la cantidad de la red inalámbrica actual. Pretenciosamente, estos dispositivos

conectados pueden tener requisitos diferentes en lo que se refiere a la razón de comunicación,

retraso, y fiabilidad [8].

Estas redes tendrán que apoyar las aplicaciones multimedias con una gran variedad de

requisitos, incluyendo altas razones de datos, latencia reducida, cobertura indoor y eficiencia

energética mejoradas, entre otras [9]. En particular, debe permitir ver la sociedad

LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G 7

verdaderamente conectada a una red de computadoras con acceso ilimitado de información

por cualquiera, en cualquier parte, y cuando quiera [8].

La red 5G no se desarrollará para reemplazar las redes inalámbricas actuales sino que

optimizará e integrará las infraestructuras de la red existente con elementos nuevos. En la red

5G, las tecnologías inalámbricas actuales, incluyendo el sistema global para las

comunicaciones móviles, la 3G, el acceso a paquetes de alta velocidad, LTE (Long Term

Evolution) y LTE avanzado, y las tecnologías Wi-Fi, continuarán evolucionando y se

integrarán en un sistema unificado [8].

1.1.1 Requisitos principales para la 5G

Los niveles de desempeño exacto y requerimientos que necesitarán los sistemas y equipos

para etiquetarse como de 5G aún no están completamente definidos, pero se están dando

pasos en la estandarización de esta generación [10]. A continuación se muestran algunos de

los requerimientos que necesitarán ser alcanzados en la nueva generación móvil, aunque no

todos éstos necesitarán ser satisfechos simultáneamente, las distintas aplicaciones pondrán

los requisitos en acción de manera diferente [4]:

1. Razón de datos

2. Latencia

3. Energía y Costo

La necesidad de soportar la explosión del tráfico de datos móviles es indiscutible, es un

aspecto principal detrás de 5G. La razón de datos puede medirse de varias maneras diferentes,

y habrá un objetivo de la 5G designado para cada métrica. Una medida de la razón de datos

puede hacerse a través de la tasa de bits agregados que se refiere a la cantidad total de datos

que la red puede ofrecer, caracterizada en bits/s por unidad de área. El acuerdo general es

que esta cantidad necesitará aumentar aproximadamente 1000 veces de 4G a 5G. Otra

medición puede hacerse con la tasa de borde también conocida como tasa del 5%, esta es la

peor razón de datos, razonable, que un usuario puede esperar recibir dentro de un rango de la

red, es una métrica importante y tiene un significado ingenieril concreto. Las metas de tasa

de borde para la 5G van de 100 Mbps a un 1 Gbps. Obtener 100 Mbps para el 95% de usuarios

sería un desafío extraordinario, incluso con mayores adelantos tecnológicos. Esto requiere

un adelanto 100 veces mayor que el de los sistemas actuales 4G que tienen una tasa de borde


típica de aproximadamente 1 Mbps. Otra de las medidas de razón de datos puede darse a

través de la razón máxima, esta es la mejor razón que un usuario puede llegar a experimentar

bajo cualquier configuración de la red. Es un número meramente publicitario, desprovisto de

mucho significado para los ingenieros y probablemente estará en el rango de los 10Gbps [4].

Otro de los desafíos que deberá suplir la 5G es la latencia. Las latencias de ida y vuelta

actuales en la 4G están en el orden de los 15 ms aproximadamente. Aunque esta latencia es

suficiente para la mayoría de los servicios actuales, las aplicaciones de 5G incluyen las

nuevas tecnologías basadas en el almacenamiento en la nube, y la realidad virtual y mejorada.

Como resultado, 5G necesitará soportar una latencia de ida y vuelta de aproximadamente 1

ms, un orden de magnitud más rápido que 4G [4], [8].

Además de los requerimientos abordados anteriormente, con el paso a la 5G, los costos y

consumo de energía serán, teóricamente, disminuidos. Puesto que las razones de datos por

enlace que son ofrecidas estarán incrementadas 100 veces aproximadamente, entonces los

Joules por bit y el costo por bit necesitará caer por lo menos 100 veces también. De igual

manera, las células pequeñas deben ser de 10 a 100 veces más baratas y más potencialmente

eficientes que las macroceldas [4].

1.2 Características principales de la banda milimétrica

Las redes celulares actuales operan principalmente en las bandas de frecuencia debajo de 3

GHz debido a las características en el canal de propagación favorables para las

comunicaciones celulares en esas bandas. Como la mayoría de las bandas de frecuencia, por

debajo de 3 GHz, están ocupadas, la atención en adquirir el nuevo espectro para los sistemas

de comunicaciones inalámbricos de la 5G ha cambiado a las bandas de frecuencia por encima

de 3GHz [11]. Aunque pueden hacerse las asignaciones de ancho de banda significativamente

más eficaces modernizando los procedimientos de asignación; para poder poner grandes

cantidades de nuevo ancho de banda en obra hay sólo una manera: escalar en la frecuencia

[4].

Se espera que el nuevo espectro para los sistemas de comunicaciones inalámbricos sea

asignado en las bandas de (3–30 GHz) así como en las de más altas frecuencias, de (30–300

GHz) a la cual le corresponden las longitudes de onda de 1mm a 10 mm, conocida como


banda milimétrica (mm-Wave), dónde las características de propagación del canal son

diferentes a las de las bandas de frecuencia por debajo de 3GHz [11].

1.2.1 Ventajas y limitantes en el uso de la banda milimétrica

Hay varias motivaciones que apoyan el uso de las frecuencias de la mm-Wave en los enlaces

de radio para la telefonía móvil. Algunas de ellas son [12]:

La enorme cantidad de espectro existente en la mm-Wave que no está utilizado.

La misma frecuencia en la mm-Wave puede ser reutilizada en la comunicación a

distancias más cortas ya que las señales tienen pobres características de propagación.

El ancho del haz relativamente estrecho que puede lograrse con mm-Wave y el

limitado rango de propagación, es capaz de brindar seguridad y privacidad.

La resolución espacial es mejor en las frecuencias de la mm-Wave ya que la longitud

de onda pequeña permite antenas de tamaño reducido y con un ancho del haz

pequeño.

El tamaño físico de las antenas a las frecuencias de la mm-Wave asegura la reciente

idea de usar la técnica de MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) masiva.

El tamaño físico de las antenas a las frecuencias de la mm-Wave se vuelve tan

pequeño que es práctico para construir complejos arreglos de antena y/o integrarlos

en un chip o PCB.

Mientras la idea de usar la banda de frecuencia alta para la transmisión es razonable por lo

expresado anteriormente, tiene sus propias complicaciones y limitaciones. La limitación más

grande de transmitir a estas frecuencias es que las ondas no pueden viajar largas distancias.

Esto implica que las estaciones bases así como los nodos móviles tendrán un rango de

transmisión pequeño [5].

Las pérdidas por penetración también crecen con el aumento de la frecuencia de transmisión.

Por consiguiente, las ondas con las frecuencias de la 5G tendrán dificultad para penetrar a

través de los edificios y otras infraestructuras urbanas [5].

A estos inconvenientes se le suman otros que hacen que las calidades de propagación a estas

frecuencias sean bastante hostiles como las fuertes pérdidas por trayectoria, la absorción

atmosférica y por lluvia, y la baja difracción alrededor de los obstáculos [4].


En las bandas de la mm-Wave, aunque un intervalo de tiempo de transmisión más corto puede

usarse debido a la baja selectividad de frecuencia, la cobertura celular sería limitada debido

a las grandes pérdidas por trayectoria que llevaría inevitablemente al uso de tamaños de

célula pequeños. A su vez, los tamaños de célula pequeños causarían los problemas en el

manejo de la movilidad pero habilitarían una mejor reutilización espacial y de frecuencia

[11].

1.2.2 Solución a las principales limitantes del uso de la mmWave en la 5G

Con el objetivo de librarse de los problemas asociados con las altas pérdida por penetración,

el uso de femtoceldas se ha estado considerando. Las estaciones bases de femtoceldas se

despliegan dentro de los edificios o casas y proporcionan que sea recibida una fuerte señal

en ambientes interiores además de permitir que se liberen canales de comunicación en las

estaciones bases cercanas a ella [5].

Por otro lado para solucionar el problema del área de cobertura, las RNS (Radio Network

Subsystem) pueden aumentar la región de alcance, pero su uso excesivo puede incurrir en

considerables costos de instalación y de mantenimiento. En lugar de usar RNS, otra

alternativa es el despliegue de estaciones bases 5G dedicadas separadas 500m

aproximadamente [5].

La tecnologías MIMO masiva (también conocidas como arreglos adaptativos de antenas,

antenas múltiples o antenas inteligentes) unido a las ventajas que aporta la banda milimétrica

proporcionan vitales recursos para resolver desafíos técnicos como el desvanecimiento de la

señales debido a la propagación multitrayecto, la interferencia co-canal o canal adyacente,

áreas de cobertura limitada entre otros, y pueden integrarse transparentemente con las redes

actuales y las tecnologías de acceso. El despliegue de un número masivo de antenas en el

transmisor y/o en el receptor (MIMO masivo) puede reforzar significativamente la eficiencia

espectral y energética de la red inalámbrica. Como la ondas milimétricas tienen una longitud

de onda sumamente corta, es posible condensar un gran número de elementos de antena en

una área pequeña que por consiguiente ayuda a desarrollar MIMO masivo en ambas partes,

estaciones bases y equipos de usuario [8], [13], [14].


1.3 Características generales de las antenas inteligentes

Las antenas forman parte esencial de un sistema de telefonía móvil, ya que son el medio

radiante de la señal que se transmite y llega a todos los usuarios de la red. Las antenas se

ubican en cada estación base, la cual se ubica en el centro de cada célula. Debido a la forma

geométrica que se ha determinado para las células se utilizan varios tipos de antenas, las más

utilizadas son las antenas directivas debido a la perfecta adaptación del patrón de radiación

de estas antenas con la forma de la célula [15].

La tecnología de antenas inteligentes en los sistemas móviles ha alcanzado un enorme interés

debido a que, al introducir este tipo de antenas, se ha conseguido un gran aumento en la

capacidad de manejo de usuarios por estación base, un mayor ancho de banda y posibilidades

de introducir nuevos servicios [15].

Un Sistema de Antenas Inteligentes es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con

una unidad de Procesamiento Digital de Señales (DSP) que optimiza los diagramas de

transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno. Es

aquella que, en vez de disponer de un diagrama de radiación fijo, es capaz de generar o

seleccionar haces muy directivos enfocados hacia el usuario deseado, e incluso adaptarse a

las condiciones radioeléctricas en cada momento [16].

Figura 1.1. Distribución de lóbulos laterales y nulos en el diagrama de radiación de las

antenas inteligentes [17]

Como se puede apreciar en la figura 1.1 cuando una antena inteligente dirige su lóbulo o

diagrama de radiación con mayor ganancia en la dirección del usuario, forma lóbulos


laterales y nulos o áreas de ganancia mínima en las direcciones lejanas al lóbulo principal

[17].

Las Smart Antenas, como suelen ser llamadas también, se diferencian de las antenas

convencionales en que pueden trabajar de dos modos distintos, los que se describen

brevemente a continuación [16]:

1) Modo omnidireccional: La antena en este modo funciona exactamente igual que las

antenas convencionales es decir, emite señal con la misma intensidad hacia todas

direcciones.

2) Modo direccional: En este modo, la antena emite señal en una sola dirección y con

un cierto ángulo de apertura. La consecuencia de transmitir en este modo se traduce

en un mayor alcance hacia la dirección donde emite la antena debido a que ésta

concentra todo su espectro de potencia en un rango de cobertura mucho menor.

Las antenas en las estaciones bases viejas de la comunicación celular normalmente son

omnidireccionales. Eso trae consigo un derroche de energía porque la mayor parte de la

potencia de la señal se irradia en otras direcciones en lugar del usuario deseado. La potencia

de la señal radiada a lo largo del área de la célula aumentará la interferencia y reducirá la

relación S/N [14].

1.3.1 Tipos de antenas inteligentes

Los Sistemas de Antenas Inteligentes se presentan en tres configuraciones [18]:

1) Haz Conmutado (Switched Beam)

2) Haz de Seguimiento (Scaninig)

3) Haz Adaptativo

El sistema de Haz Conmutado (Switched Beam) es la configuración más simple de Antenas

Inteligentes. El sistema radiante genera varios haces fijos, cada uno apuntando en una

dirección distinta, de modo que entre todos los lóbulos se cubre el sector de la célula. Por lo

general se trata de 4 haces con una apertura de 30º. La inteligencia de la célula selecciona el

haz de mejor servicio basado en parámetros de control tales como: mayor nivel de potencia

recibida, mejor relación señal a ruido y mejor relación señal a interferencia (C/I) [14].


En caso de recibir señal, el sistema guarda información correspondiente a la posición del haz

(ángulo + identificación de usuario) y se establece la comunicación con el usuario en un

intervalo de tiempo. Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la

existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la zona de cobertura.

Este proceso se repite permanentemente en el tiempo [18].

El sistema de Haz de Seguimiento (Scaninig) es un poco más complejo que el anterior. Es

conocido también como arreglo dinámico en fase y se puede decir que es una generalización

de la técnica de haz conmutado [14]. Está conformado por un arreglo de antenas con una red

de excitación que permite controlar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación

que llegan a los elementos del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente

y establecer comunicación con el usuario respectivo como se muestra en la figura 1.2. A

diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema haz de seguimiento ejecuta algoritmos

DoA (Direction of Arrival) para identificar la dirección de arribo de las señales de los

usuarios. Otra diferencia es que los cambios de fase para en el sistema conmutado se realizan

a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijados en el sistema y en el sistema de

Haz de seguimiento el posicionamiento del haz tiene mayor resolución angular [18].

Figura 1.2. Diagrama ilustrativo del patrón de radiación de una antena de haz de

seguimiento [14].

Por otro lado la técnica de Haz Adaptativo constituye el máximo nivel de inteligencia que se

podría dar a un sistema de antenas. En este sistema, las salidas de cada elemento del arreglo

de antenas se ponderan con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para


conformar un diagrama de radiación, semejante al que presenta el diagrama ilustrativo de la

figura 1.3, que dirige el haz principal hacia la posición del usuario deseado y los haces o

lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes de multitrayecto de la señal

deseada y mínimos o nulos de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.

Esta técnica requiere el uso de algoritmos (DoA) tanto para la detección de las señales de

arribo e interferentes como para la optimización de los pesos que conforman el haz [18].

Figura 1.3. Diagrama ilustrativo del patrón de radiación de una antena con haz adaptativo

[14].

No siempre será posible eliminar toda la interferencia, ya que el número de fuentes

interferentes que se pueden suprimir está directamente relacionado con el número de

elementos de la antena. Esta técnica requiere el uso de complicados algoritmos, tanto para la

detección de las señales deseada e interferente como para la optimización de los pesos que

conforman el haz. Estos algoritmos suelen conllevar una gran carga computacional, mientras

que deben procesarse en tiempo real, por lo que suponen una seria limitación [14], [18].

1.3.2 Ventajas y desventajas en el uso de antenas inteligentes

Las características de las antenas inteligentes de tener haces de radiación con una mayor

directividad (mayor ganancia y mayor selectividad angular) deriva en una serie de ventajas.

Una de ellas es que presenta controles de potencia más eficientes. Esto es debido a que el

Sistema de Antenas Inteligentes puede radiar una potencia menor por lo cual se pueden

reducir o simplificar las especificaciones de los amplificadores de potencia asociadas al

sistema de antenas, generando una reducción de costos en las etapas de amplificación.


Además, la mayor ganancia de la antena permitirá incrementar la sensibilidad de la estación

base, por lo que los móviles podrán transmitir con menor potencia, ahorrando batería [17],

[18].

Otra de las ventajas radica en que puede alcanzar una mayor área de cobertura y con ello el

incremento del radio de la célula, gracias a la directividad obtenida con un arreglo de antenas

con respecto a una antena sectorial. Este hecho podría permitir reducir el número de

estaciones base necesarias para cubrir una zona, siempre y cuando no sea el tráfico el factor

limitante lo que supone un ahorro en los costes asociados al despliegue y mantenimiento de

la red [17], [18].

Además, los Sistemas de Antenas Inteligentes, dan lugar a un aumento en la capacidad del

sistema permitiendo brindar soporte a servicios de valor agregado. Al mismo tiempo reducen

los niveles de interferencia ya que la antena posee una mejor selectividad espacial lo que

permite a la estación base discriminar las señales de usuarios interferentes en favor de la señal

del móvil deseado (en el caso del enlace ascendente), y también reducir el nivel de potencia

transmitida en las direcciones de esos otros usuarios (en el caso del enlace descendente) [17],

[18].

Estos sistemas también representan una mejora en la seguridad gracias a que la transmisión

entre la estación y el equipo móvil es direccional por lo que es muy difícil que otro equipo

intercepte la comunicación, a menos que esté situado en la misma dirección en que apunta el

haz de la antena. Asimismo se hace fácil la localización de usuarios que estén haciendo uso

fraudulento de los servicios que ofrece la red de comunicación móvil [17], [18].

A pesar del conjunto de beneficios que comprende el uso de las antenas inteligentes en los

sistemas de telecomunicaciones existen una serie de limitantes, que aunque no son

determinantes en su implementación, es necesario tenerlas en cuenta en la utilización de estos

sistemas.

Uno de ellos es que los sistemas de antenas inteligentes son mucho más complejos y difíciles

de diseñar en comparación con los sistemas radiantes convencionales. Es necesario una

cadena de transmisión y recepción independiente para cada elemento del arreglo, y todas

ellas deben estar balanceadas y calibradas en tiempo real. Además, es imprescindible el uso


de potentes procesadores (DSPs, por ejemplo) para ejecutar los algoritmos de optimización,

conformación de haz, detección del ángulo de llegada, etc [18].

Además se hacen más complejos los procedimientos de gestión. El hecho de que exista un

haz de radiación enfocado hacia cada usuario implica que las funciones de red deben

revisarse, en particular, las que afectan a la gestión de recursos radio (RRC) y a la gestión de

movilidad (MM). Por ejemplo, algunos procedimientos que pueden verse afectados son los

de selección y reelección de celda, establecimiento de conexiones, handover, paging, etc [18].

Por otra parte en la implementación de esto sistemas se incurre en mayores costos. Los

procesadores de señales deben ser de última generación para evitar retardos que pueden ser

totalmente perjudiciales cuando se trabaja en el área de telecomunicaciones y los

componentes utilizados deben ser los mejores que existan en el mercado para evitar pérdidas

y tener la máxima exactitud posible. Como consecuencia de la complejidad de esta

tecnología, se tiene el alto costo de implementar un sistema de antenas inteligentes [19].

1.4 Investigaciones acerca de antenas y arreglos de antenas multibanda resonantes a 28

GHz y 38 GHz

Las investigaciones acerca de arreglos de antenas multibanda para frecuencias de la mm-

Wave son bastante recientes. Actualmente se siguen realizando diseños, dirigidos

principalmente hacia la 5G, que constituyen bases fundamentales para su futura

implementación. A continuación se mencionan algunas de estas investigaciones.

En mayo de 2015, Nadeem Ashraf, Osama Haraz, Muhammad A. Ashraf y Saleh Alshebeili

publicaron el artículo “28/38-GHz dual-band millimeter wave SIW array antenna with

EBG structures for 5G applications” [20]. En esta investigación se propone el diseño de

un arreglo de antenas de doble banda de guía-onda integrada de substrato (substrate

integrated waveguide, SIW) linealmente polarizada que opera en la banda Ka. El arreglo

horizontalmente polarizado consta de 4 elementos y cuenta con una red de alimentación con

líneas de microcinta para lograr altas ganancias. Se usa además un sustrato de bajo costo

RT/Duroid 5880 para los diseños propuestos. Se presenta el resultado de las simulaciones

realizadas, en el software CST Microwave Studio. El análisis muestra que la abertura de

radiación diseñada para una frecuencia no afecta la propagación de la otra frecuencia dentro


de la guía de ondas y por consiguiente las antenas multibanda pueden ser diseñadas con

múltiples aberturas desiguales dentro de SIW.

En el julio de 2015, Osama M. Haraz, Mohamed Mamdouh M. Ali, Saleh Alshebeili y Abdel-

Razik Sebak expone, en “Design of a 28/38 GHz dual-band printed slot antenna for the

future 5G mobile communication Networks” [21], una antena de ranura impresa que opera

en las bandas de 28 y 38 GHz para las comunicaciones móviles. La misma muestra un patrón

con alta eficiencia de radiación a través de la banda de frecuencia que excluye la banda

rechazada la cual comprende las frecuencias de 30 a 34 GHz. La banda de rechazo se logra

creando una ranura en forma π y se crea con el objetivo de reducir la interferencia entre el

sistema 5G y otros. Además, con el objetivo de mejorar el ancho de banda de la antena fue

grabada una abertura con forma elíptica en el plano de superficie.

Los autores Nadeem Ashraf y Osama Haraz junto a otros autores publicaron en el año 2015

el artículo titulado “Optimized broadband and dual-band printed slot antennas for

future millimeter wave mobile communication” [22]. En él, se proponen dos antenas de

abertura impresa, una de banda ancha y una de doble banda para las futuras redes de

comunicación móvil de la 5G. Las antenas se diseñan para el trabajo en la banda de

frecuencias Ka. Los resultados indican que la antena propuesta como prototipo I tiene un

ancho de banda > 20 GHz (de 20 a 40 GHz) cubriendo dos importantes frecuencias de la

banda milimétrica (28/38 GHz). La antena propuesta como prototipo II es de doble banda a

28 y 38 GHz con una banda de rechazo a 33GHz para reducir la interferencia entre las

diferentes aplicaciones que operan alrededor de estas bandas de frecuencia. La antena de

banda ancha de bajo costo (el prototipo I) y antena de doble banda (el prototipo II) tienen

ganancias por encima de 5.30 dBi y 5.6 dBi con una eficiencia de radiación estimada de 93%

y 94%, respectivamente.

En abril de 2016, los autores Hanieh Aliakbari, Abdolali Abdipour, Rashid Mirzavand,

Alessandra Costanzo y Pedram Mousavi, publicaron un artículo titulado “A single feed dual-

band circularly polarized millimeter-wave antenna for 5G communication” [23]. En esta

investigación se presenta, una antena simple de parche polarizada circularmente con doble

banda (28 y 38 GHz), conveniente para comunicación móvil de la 5G. Es excitada por una

línea de alimentación simple de microcinta lo que es deseable para lograr una alta ganancia


en la banda milimétrica y compensar la pérdida de enlace. Además se llega a la conclusión

por una serie de resultados en las mediciones que las dimensiones de las aberturas en forma

de L afectan significativamente la actuación de la antena.

A mediados de 2016, los autores Mohamed Mamdouh M. Ali, Osama Haraz y Saleh

Alshebeili presentan, en el artículo “Design of a dual-band printed slot antenna with

utilizing a band rejection element for the 5G wireless applications” [24], una antena de

abertura impresa con doble banda 28/38 GHz para futuras aplicaciones en la 5G. Para obtener

doble banda a 28/38 GHz, se graba un parche elíptico no concéntrico dentro de una abertura

elíptica en el plano de masa. La antena es alimentada por una microcinta en el otro lado del

sustrato. Los resultados indican que la antena propuesta tiene un ancho de banda mayor que

20 GHz (de 20 a más de 40 GHz) con S11<-10 dB que cubren ambas bandas. Para reducir la

interferencia entre el 5G sistema y otras aplicaciones, la hendedura en forma de L se graba

fuera, en la línea de alimentación para crear una banda de rechazo de 30-35 GHz.

En Julio de 2016, Mohamed Mamdouh M. Ali y Abdel-Razik Sebak publicaron el artículo

“Design of compact millimeter wave massive MIMO dual-band (28/38 GHz) antenna

array for future 5G communication systems” [25]. En este, un arreglo compacto de

antenas de doble banda (28/38 GHz) con MIMO masivo se propone para los futuros sistemas

de comunicación 5G. El arreglo de antenas propuesto para el sistema de antenas MIMO tiene

un tamaño de 13x22 mm². Los resultados en las simulaciones muestran que el ancho de banda

es alcanzado alrededor de los 28 y 38 GHz con una alta ganancia de 12.07dB and 13.46dB

respectivamente. La estación base del sector 6 propuesto tendrá 6 subsectores (arreglos de

antena) cubriendo un rango de 40° y 30° a 28 y 38 GHz, respectivamente, en el plano azimutal

(ɵ).

1.5 Conclusiones parciales

En este capítulo se abordó acerca de los principales requisitos y desafíos técnicos que debe

suplir la 5G para su futura implementación. Además fueron resaltadas las características de

la mm-Wave que hacen que sea conveniente su utilización en la 5G así como también las

dificultades que implica el uso de estas frecuencias y las posibles soluciones que pueden

asumirse para erradicarlas. También se profundizó en los sistemas de antenas inteligentes,

sus principales características, y las ventajas y desventajas de su utilización. Finalmente se


exhibieron investigaciones en las que se proponen antenas o arreglos de antenas de doble

banda resonantes a las frecuencias 28 y 38 GHz, apropiados para las comunicaciones móviles

en la 5G.

CAPÍTULO 2. LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS

EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS

PARA LA 5G

Las antenas son un elemento clave dentro de un sistema de comunicaciones ya que se

encargan de transmitir y recibir las señales que portan la información que desea recibir el

usuario. Las antenas pueden tener diferentes formas o presentarse en forma de arreglos según

sea la función que debe cumplir dentro de un sistema de comunicación. Para los sistemas de

comunicación inalámbrica, la antena es el componente más crítico. Hacer un buen diseño de

estas puede ayudar a aminorar los requerimientos del sistema y mejorar su actuación de

manera general. Las antenas con tecnología de microcinta son las que más están siendo

empleadas actualmente para las altas frecuencias debido a las ventajas que ofrece en cuanto

al costo, fabricación, dimensiones, entre otras.

En el presente capítulo se exponen los diferentes tipos de antenas que existen según su

estructura y los principales parámetros que presentan, haciendo mayor énfasis en las antenas

de microcinta debido a su gran aplicación en las frecuencias de la banda milimétrica. Se

mencionan las ventajas de utilizar arreglos de antenas, y finalmente se realiza una

caracterización del software CST Microwave Studio y MatLab aplicados para la simulación

y cálculo de las antenas.

2.1 Parámetros básicos de las antenas

Una antena es un dispositivo utilizado para la radiación o recepción de ondas

electromagnéticas, la cual tiene como función la transición de una onda guiada dentro de una

línea de transmisión a una onda electromagnética en el espacio libre, si se trata de una antena

transmisora y ocurre el proceso inverso si se trata de una antena receptora [15]. Un extremo

LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE

ARREGLOS PARA LA 5G 21

de la antena se toma como un elemento eléctrico de un circuito mientras que el otro extremo

de la antena es el que provee la interfaz entre el circuito y el espacio físico por medio de la

onda plana propagada [19].

Dentro del estudio de antenas existen algunos términos o parámetros que determinan ciertas

características de la antena, al conocer estas características se puede optimizar el uso que se

le puede dar a la antena [15].

La mayoría de los siguientes parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también

en recepción [19]:

Directividad y Ganancia

Diagrama de radiación o patrón de radiación

Ancho del haz

Impedancia de entrada

Eficiencia de la antena

Polarización

Ancho de Banda

Intensidad de Campo

Relación frente detrás (front-to-back)

2.1.1 Directividad y Ganancia

La directividad consiste en cuanta energía concentra la antena en una dirección específica.

Es expresada en términos de la ganancia de energía, la cual es definida como la relación entre

la energía radiada por la antena entre la energía radiada por una antena de referencia como

se observa en la figura 2.1. Se debe tener en cuenta que la energía de entrada para ambas

antenas es la misma y la antena de referencia se elige como una antena isotrópica, la cual

irradia energía equitativamente en todas direcciones. La ganancia se da en unidades de

decibelios dB, y en el caso de una antena omnidireccional dBi (decibel isotrópico) [15].



Figura 2.1. Representación gráfica de la directividad [26].

2.1.2 Diagrama de radiación o patrón de radiación

Es la característica más importante de una antena y consiste en una representación gráfica de

las características de radiación de la misma [15]. El patrón de radiación es una gráfica

espacial que muestra las diferentes intensidades de campo que se tiene en diferentes puntos

del plano horizontal o vertical [19]. El diagrama puede ser obtenido por la colocación de una

antena de prueba fija en relación a un entorno donde se está midiendo el diagrama, también

por la rotación de la antena en torno a sus ejes, donde las señales enviadas son recibidas en

un receptor capaz de discriminar con precisión la frecuencia y la potencia recibidas. Se puede

representar esta medición en forma cartesiana o polar [27]. Es importante mencionar que para

la emisión de señales se tiene el mismo patrón de radiación que para la recepción de éstas, es

decir, que donde se muestra mayor potencia emitida en un patrón de emisión, se tendrá

también mayor capacidad de recepción. Un ejemplo de patrón de radiación es el que se

muestra en la figura 2.2 [19].

Figura 2.2. Ejemplo de un patrón de radiación [27].



Como se aprecia en la figura 2.2 la representación polar se hace mediante el trazado de

segmentos proporcionales a una magnitud de referencia (módulo) y un ángulo que da la

dirección respecto a una semirrecta de referencia (argumento). Los resultados obtenidos son

generalmente normalizados. El valor máximo de la señal recibida para 0 dB de referencia,

facilita la interpretación de los lóbulos secundarios en relación al frente de los bordes [27].

2.1.3 Ancho del haz

La distancia angular entre los puntos de mitad de potencia se define como el ancho del haz.

La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3 dB, por lo tanto algunas veces el

ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3 dB. Generalmente

se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal. Suponiendo que la mayoría de

la potencia radiada no se disperse en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es

inversamente proporcional al ancho del haz. Cuando el ancho del haz decrece, la ganancia

directiva se incrementa [27].

2.1.4 Impedancia de entrada

La impedancia de entrada se puede expresar como la impedancia que presenta la antena, o

también la relación entre la tensión y la corriente entre los terminales. Suele ser un valor

complejo expresado de la siguiente manera [26]:

𝑍𝑎 = 𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑎 (2.1)

Siendo Za la impedancia de la antena, Ra la resistencia de la antena (parte real) y Xa la

reactancia de la antena (parte imaginaria).

La parte resistiva representa la disipación, se puede descomponer en dos componentes, una

de radiación 𝑅𝑟 y otra de pérdida por disipación de calor 𝑅𝑙 [26]:

𝑅𝑎 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝑙 (2.2)

La resistencia de radiación es un valor asignado a una resistencia ficticia cuyo valor es el que

tendría una resistencia que disipara la misma potencia eléctrica entregada por la antena con

la misma potencia radiada por la antena.

En la práctica no toda la potencia entregada por la antena es radiada totalmente al espacio

que la rodea. Una parte se disipa bajo la forma de calor a causa de las pérdidas resistivas



provocada por los conductores, aisladores de soporte, la torre y los cables de anclaje. Las

pérdidas óhmicas están determinadas por la frecuencia de trabajo. En bajas frecuencias, estas

pérdidas son pequeñas comparadas con la resistencia de radiación y la antena es un radiador

muy eficiente. En altas frecuencias, donde la antena es relativamente corta en relación a su

longitud, el suelo es un componente esencial que forma parte del sistema irradiante. La altura

de la antena respecto al suelo conductor es un factor importante que afecta la resistencia de

radiación. Algunas ondas son reflejadas por el suelo, y al regresar a la antena, inducen

corriente cuya magnitud y fase dependen de la distancia entre la antena y el suelo. Si llegan

en fase habrá más radiación y sucede lo contrario si llegan en oposición de fase. El resultado

es una serie de variaciones respecto al valor R de la resistencia de radiación en el espacio

libre [27].

2.1.5 Eficiencia de la antena

Es la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia total entregada a la antena

para una frecuencia dada de operación. Se puede considerar que la resistencia total de carga

está formada por dos resistencias en serie, una de valor de R (resistencia de radiación) y otra

de valor r que representa la disipación óhmica de la antena. Será tanto más eficiente cuanto

mayor sea la relación R/r. En consecuencia, se puede expresar la eficiencia de la antena en

valores porcentuales como [27]:

𝜂 = 𝑅

𝑅 + 𝑟∗ 100 (2.3)

Cada tipo de la antena tiene un valor típico de eficiencia distinto, como se muestra en el

Anexo 1.

2.1.6 Polarización

La polarización es determinada por la dirección en la que se mueve el vector de campo

eléctrico E de una onda electromagnética. En general, la polarización se describe por una

elipse. Hay dos casos especiales de la polarización elíptica: la polarización lineal y la

polarización circular. Con la polarización lineal, el vector del campo eléctrico se mantiene

en el mismo plano del eje de la antena todo el tiempo. El campo eléctrico puede posicionar a

la antena en una orientación vertical, horizontal o en algún ángulo intermedio entre los dos

[15], [27].



La radiación en una antena polarizada verticalmente se ve ligeramente menos afectada por

las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen

una polarización vertical. Por otra parte las antenas con polarización horizontal tienen menos

probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre que las polarizadas

verticalmente [15].

En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con un movimiento

circular en la dirección de la propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de

RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda [27]. La polarización circular

es utilizada para propósitos específicos, tales como transmisión de estaciones móviles de

televisión y transmisiones satelitales en frecuencias de VHF y UHF [15].

2.1.7 Ancho de Banda

Es el intervalo de frecuencias en la cual debe funcionar satisfactoriamente la antena

cumpliendo determinadas restricciones. Se puede definir un ancho de banda de impedancia,

de polarización, de ganancia, etc. [27], [26].

La expresión del ancho de banda relativo viene dada por:

𝐵𝑊 =𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝑓𝑚𝑖𝑛

𝑓𝑜 (2.4)

Donde fmax es la frecuencia más alta de la banda, fmin es la frecuencia más baja, y fo es la

frecuencia central.

2.1.8 Intensidad de campo

La magnitud de la energía en la componente eléctrica y en la magnética es exactamente la

misma. La variación de una componente resulta en la formación de la otra. Si ambas

componentes tienen la misma energía, la determinación de una componente dará el valor de

la otra. Se ha acordado expresar la intensidad de campo en términos de su componente

eléctrica, es decir, en unidades de Volts/metro. La intensidad de campo esperada en el espacio

libre a una distancia d de una antena transmisora está dada por [27]:

𝐸 = √30𝐷𝑡𝑃𝑡

𝑑 (2.5)

Donde:



d: distancia [metros].

Dt: Ganancia de la antena transmisora respecto a una antena isotrópica.

Pt: Potencia radiada de la antena transmisora [Watts].

El campo recibido también se puede expresar en términos de la densidad de potencia, lo cual

es muy común, sobre todo a frecuencias por encima de 300 MHz (λ< 1 metro). La conversión

se puede efectuar mediante:

𝜌 = 𝐸2

120𝜋 (2.6)

Donde:

E = Intensidad de Campo [V/ m].

p = Potencia de Campo. [W/𝑚2].

120 π es la impedancia intrínseca del espacio libre de valor aproximado a 377 Ohms.

Representa la oposición al flujo de energía electromagnética en el espacio libre.

2.1.9 Relación front to back

Es la relación de ganancia entre el lóbulo principal y posterior y está definida por [27]:

𝑅𝐷𝐹[𝑑𝐵] = 10 log10

𝑃𝑚

𝑃𝑜𝑝 (2.7)

Donde:

Pm: Energía máxima en la dirección de propagación.

Pop: Energía irradiada hacia atrás.

2.2 Tipos de antenas según su estructura

Existen tres clases de antenas atendiendo a su estructura: antenas de hilo, antenas de apertura

y antenas planas [26].

Las antenas de hilo son aquellas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo. La

longitud del hilo no suele ser mayor que la longitud de la onda [26]. Las antenas de hilo

pueden adoptar varias formas, pueden ser de hilo recto (como los dipolos), de lazo y en forma



de hélice. Las de lazo no necesitan ser necesariamente circulares, pueden tener forma de

rectángulo, cuadrado, elipse y cualquier otra configuración. Las antenas más utilizadas de

este tipo son: el dipolo y el monopolo vertical [28].

Otro tipo de antenas son las antenas de apertura y se distinguen del resto porque la radiación

sale a través de una embocadura. Dentro de este tipo de antenas se incluyen las de apertura

delimitada por paredes metálicas conductoras como las ranuras y bocinas, y las de apertura

definida por porción de la superficie frontal plana en la que los campos de la onda colimada

por aquella toma valores significativos como son los lentes y reflectores [26].

Por último están las antenas planas que son aquellas cuyo elemento radiante es

bidimensional, suele ser rectangular o circular. Requiere muy poco espacio, por esta razón

es empleado en la telefonía móvil. Las antenas de tipo parche con tecnología de microcinta

son las más empleadas dentro de este grupo [26].

2.2.1 Características de las antenas de parche

Las antenas de tipo parche son antenas planas fabricadas sobre tecnología de circuito

impreso. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen

usar como elementos unitarios de un array [26].

Las antenas de parche, como se muestra en la figura 2.3 están conformadas por un parche

metálico muy fino (t << λₒ, donde λₒ es la longitud de onda en el espacio libre). Este parche

es colocado sobre un plano de masa (ground plane) que tiene una altura igual a una pequeña

fracción de la longitud de onda (h << λₒ, usualmente 0.003λₒ ≤ h ≤ 0.05λₒ). Para un parche

rectangular, la longitud L del elemento es usualmente λₒ/3 < L < λₒ/2. El parche y el plano de

masa están separados por un dieléctrico conocido como sustrato [28].



Figura 2.3. Estructura de un parche rectangular de antenas [29].

Hay numerosos sustratos que pueden ser utilizados para el diseño de antenas de parche, y las

constantes de sus dieléctricos están comúnmente en el rango de 2.2 ≤ Ԑr ≤ 12. Los más

deseables para la actuación de la antena son los sustratos gruesos cuya constante del

dieléctrico está en el límite inferior del rango ya que proveen mayor eficiencia y gran ancho

de banda pero a expensas de un tamaño más grande en los elementos. Los sustratos finos con

altas constantes dieléctricas son deseables para circuitos de microondas porque minimizan la

radiación indeseada, y conduce a elementos de menor tamaño, sin embargo debido a sus

grandes pérdidas son menos eficientes y tienen anchos de banda relativamente más pequeños

[28].

El parche radiante puede ser cuadrado, rectangular, circular, dipolos, elíptico o cualquier otra

configuración. Las formas que puede tener este elemento son muy variadas, aunque las más

utilizadas son la rectangular y la circular, representadas en la figura 2.4, por su fácil análisis

y diseño, y sus atractivas características de radiación [30].

Figura 2.4. Parche rectangular y circular [30]

Polarizaciones lineales y circulares pueden ser logradas con arreglos de antenas de parche o

con simples elementos. Estos arreglos con alimentación única o múltiple, pueden ser usadas

también para introducir capacidades de análisis y lograr grandes directividades.

2.2.2 Métodos de alimentación de las antenas de parche

Existen varias formas de alimentar la antena tipo parche: mediante línea microstrip, mediante

sonda coaxial, alimentación por acoplamiento por proximidad y por ranura, siendo las dos

primeras las más utilizadas [26].

La alimentación mediante línea microstrip consiste, como su nombre lo indica, en alimentar

la antena parche con una línea microstrip. Normalmente la anchura de la línea microstrip es



relativamente pequeña a la del parche. En la figura 2.5 se muestra el modelo y su circuito

equivalente [26].

Figura 2.5. Parche alimentado con línea micostrip y su equivalencia [26]

Este tipo de alimentación es fácil de fabricar y medir, sin embargo, también tiene sus

desventajas: la línea de alimentación produce una radiación espúrea, tiene ancho de banda

limitado entre 2% y 5% [26].

Otra forma de alimentar el parche es mediante sonda coaxial (Anexo 2). Se conecta el

conductor interior al parche radiante y el conductor exterior a la masa. El circuito equivalente

es el mismo que el de anterior solo que carece de la línea de transmisión. Se caracteriza en la

simple fabricación y poco ancho de banda igual que el caso anterior. Sin embargo, hay que

tener en cuenta otro factor a la hora de diseñar: cuando el grosor del sustrato aumenta es

difícil de adaptar debido a la radiación espúrea del conector coaxial [26].

La alimentación por acoplamiento por proximidad (Anexo 2) tiene el mayor ancho de banda

de las cuatro mencionadas al inicio, pudiendo alcanzar el 13%, es fácil de diseñar y tiene

poca radiación espúrea pero su construcción es más difícil que las anteriores [30].

Por otra parte la alimentación por acoplamiento por ranura (Anexo 2) es la más difícil de

fabricar de las cuatro y tiene un ancho de banda muy estrecho. Sin embargo, es algo más

sencillo de modelar y tiene poca radiación espúrea. La ranura de acoplamiento está formada

por dos sustratos separados por un plano de masa. En el sustrato inferior hay una línea

microstrip de alimentación la cual acopla al parche a través de la ranura que hay entre ambos

sustratos [30].



2.2.3 Ventajas y desventajas de las antenas de microcinta

Estas antenas son de perfil bajo, proporcionan superficies planas y no planas, son simples y

poco costosas de fabricar usando las tecnologías de circuito impreso, son mecánicamente

robustas cuando son montadas en superficies rígidas y versátiles en términos de frecuencia

de resonancia, polarización e impedancia. Pueden ser utilizadas en superficies de alto

rendimiento como aviones, naves espaciales, satélites, misiles, carros y teléfonos móviles

[28]. Además, debido al poco peso y las pequeñas dimensiones de estas antenas, pueden ser

utilizadas para aplicaciones específicas y son acomodadas para formar arreglos de antenas

[19].

Las mayores desventajas operacionales de las antenas de microcinta son su baja eficiencia,

baja potencia, pobre pureza de polarización y rendimiento en el análisis, radiaciones de

alimentación espurias y muy estrecho ancho de banda. Sin embargo hay métodos, en los que

el aumento de la altura del sustrato, puede ser utilizado para aumentar la eficiencia y el ancho

de banda. No obstante, con el incremento de la altura, ondas de superficie son introducidas

las cuales no son frecuentemente deseables porque extraen potencia del total disponible para

la radiación directa. Las ondas de superficie viajan por dentro del sustrato y se esparcen a las

curvaturas y discontinuidades de la superficie y degradan las características del patrón y la

polarización. Las ondas de superficie pueden ser eliminadas, aun cuando se quieran mantener

grandes anchos de banda, con el uso de cavidades. Apilar elementos de microcinta también

puede ser usado para incrementar el ancho de banda [28].

2.2.4 Métodos de análisis

Para analizar el comportamiento de las antenas de parche se utilizan modelos o

aproximaciones que nos permiten entender cómo funcionan de forma intrínseca. Entre todos

los métodos de análisis, los más habituales son: el modelo de línea de transmisión y el modelo

de cavidad. El modelo de línea de transmisión, que es el que se explica en este trabajo, es el

más simple y proporciona una buena percepción física, pero menos preciso y es más difícil a

la hora de modelar el acoplamiento. En comparación, el modelo de la cavidad es más preciso,

pero al mismo tiempo más complejo. Sin embargo, también es bastante difícil de modelar el

acoplamiento [28].



El modelo de línea de transmisión es la primera y más obvia elección para el análisis y diseño

de una antena de parche rectangular ya que este tipo de antenas tienen una estructura física

derivada de una línea de transmisión microstrip [31].

En este modelo, la antena se entiende como una prolongación de la línea de transmisión cuya

impedancia característica es Zo y tiene una constante de propagación 𝛾 = 𝛼 + 𝑗𝛽

El parche se presenta entonces equivalente a dos ranuras de dimensiones W x ΔL, colocadas

ambas, en los extremos de una lámina metálica de dimensiones W x L, donde la longitud L

se toma para que haya inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase, es

decir, L = λg/2. De esta forma se consigue, como se aprecia en la figura 2.9, que la radiación

de los flancos se cancele en el centro del parche a la altura del sustrato [31].

Figura 2.9. Evolución del campo eléctrico en una antena microstrip [31]

Tanto en la línea microstrip como en el parche se está propagando un modo quasi TEM,

quedando casi todo el campo confinado dentro del dieléctrico. El efecto de desbordamiento

de campo se produce al incluir una discontinuidad (el parche) de tamaño comparable a λ

como se muestra en la figura 2.11 y depende del grosor y la permitividad del dieléctrico. El

efecto del desbordamiento de campo se puede ver representado en la figura 2.10 [31].

Figura 2.10. El campo eléctrico se desborda por los cuatro lados [31]



Figura 2.11. El tamaño del parche debe ser proporcional a λ [31]

En cuanto al campo radiado se puede decir que, por el principio de equivalencia, es semejante

al que generan dos hilos de corriente uniforme, con un diagrama de radiación cuyo máximo

apunta en la dirección broadside [31].

2.3 Los arreglos de antenas en los sistemas de telecomunicaciones

Para algunas aplicaciones, con una antena formada por un solo elemento no se pueden

alcanzar los requerimientos necesarios, como puede ser la ganancia o una mayor directividad,

sin tener que aumentar sus dimensiones de forma considerable. Es por ello que surgen los

arreglos (array): un conjunto de antenas que trabajan para el mismo sistema y que están

colocadas con una cierta formación dependiendo de la función que este arreglo vaya a

desempeñar y al patrón de radiación que se quiera obtener. Con un arreglo de antenas se

pueden considerar, cada una de las antenas pertenecientes a este arreglo, como un punto de

radiación individual, que unidos, darán el efecto deseado [30], [19].

Los factores que definen a un arreglo son [30]:

La colocación geométrica del array.

El espaciado entre los elementos.

La amplitud con la que se alimenta cada elemento.

La fase con la que se alimenta cada elemento.

El diagrama de radiación de cada elemento.

En función de cómo estén distribuidos los elementos que compongan un array estos pueden

ser arrays lineales, arrays planos o arrays conformados.



Un array lineal se define como un conjunto de N elementos situados sobre un mismo eje

como se muestra en la figura 2.9.

Figura 2.9. Arreglo lineal [30]

Si en vez de colocar los elementos sobre un eje se colocan sobre un plano se obtiene un

arreglo planar como el representado en la figura 2.10 y si los elementos radiantes se disponen

sobre una forma específica como podría ser un cilindro, una pirámide o un prisma entonces

quedaría construido un arreglo conformado como el se muestra en la figura 2.11.

Figura 2.10. Arreglo planar [30]

Figura 2.11. Arreglo conformado circular [30]

Si todos los elementos son iguales se puede sacar del sumatorio el campo radiado en el origen,

quedando un único sumatorio que contiene la alimentación y la fase de cada elemento

denominado Factor de Array (AF).



𝐴𝐹 = ∑ 𝑊𝑛𝑒𝑗ѱ𝑛

𝑁

𝑛=1

(2.8)

Las señales introducidas a cada elemento radiante, o antena, por medio de las líneas de

transmisión, pueden ser modificadas mediante atenuadores (para la magnitud) y por

desplazadores o variadores de fase (para la fase) [19].

2.3.1 Elementos de un arreglo

Un arreglo de antenas, además de las antenas que lo conforman, está hecho de diferentes

elementos que, en conjunto, logran el comportamiento deseado para ese arreglo [19].

La estructura general de un arreglo consta, entre otros, de los siguientes elementos [19]:

Red de alimentación: provee a los diferentes atenuadores la energía para que,

luego de ser modificada, sea radiada. Los acopladores que envían la energía para

una u otra dirección tienen que tener acople de impedancias y deben estar aislados

para evitar alguna reflexión que se pueda dar debido al coeficiente de reflexión

que tienen los elementos del arreglo.

Variadores de fase: modifican la fase de la señal recibida desde la red de

alimentación.

Un procesador digital de señales: realiza los cálculos necesarios para establecer

la atenuación y la fase de cada elemento del arreglo según se necesite el patrón de

radiación.

Antenas: elemento de interfaz entre un circuito eléctrico y el espacio físico que

genera ondas electromagnéticas a partir de una señal proveniente del circuito y

viceversa.

2.4 Herramientas para el cálculo numérico y la simulación de antenas

El MatLab R2015 8.5 (MATrix LABoratory) es un entorno de computación técnica de alto

nivel que posibilita la ejecución del cálculo numérico y simbólico de forma rápida y precisa.

Posee un ambiente interactivo para el desarrollo de algoritmos, visualización de datos,

análisis de datos y cálculo numérico. Este presenta un lenguaje de programación basado en

vectores, arreglos y matrices. Se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones que



incluyen procesamiento de señales e imágenes, comunicaciones, diseño de sistemas de

control, sistemas de prueba y medición, modelado, análisis financiero y biología

computacional. Esto es debido a una arquitectura abierta y ampliamente extensible y a una

serie de funciones que permiten integrar su código con otros lenguajes y aplicaciones [32].

El programa CST Microwave Studio 2015 de la empresa CST (Computer Simulation

Technology) es una herramienta especializada para la simulación electromagnética en tres

dimensiones de componentes desde alta hasta extra-alta frecuencia. Dispone de una interfaz

gráfica que permite generar todo tipo de superficies y volúmenes. Este implementa métodos

de onda completa para el análisis de las estructuras que se modelan, concretamente el Método

de la Integración Finita en el Dominio del Tiempo (FITD). Dicha herramienta realiza un

análisis del comportamiento electromagnético de los diseños y brinda gran flexibilidad a los

usuarios proporcionando un rango de aplicación muy amplio, gracias a la variedad de

tecnologías disponibles. Además, posibilita un análisis rápido y preciso de antenas,

estructuras resonantes, conectores, filtros y muchos otros dispositivos [33].

El CST Microwave Studio permite extraer todas las magnitudes de interés para un diseñador

de antenas, como ganancia, eficiencia, diagrama de radiación, parámetro de dispersión, etc.

Además, permite la optimización de los resultados obtenidos a fin de mejorar el desempeño

del diseño. Dicho programa utiliza algoritmos que resuelven las problemáticas habituales en

éste tipo de simulaciones y dispone varios módulos de cálculo, por ejemplo el modo

Transient Solver, Frequency Domain Solver, Integral Equation Solver, entre otros. El

módulo Transient Solver es el más recomendado para antenas planas y permite simular la

mayoría de problemas electromagnéticos. El módulo Frequency Domain Solver es mejor

para antenas eléctricamente cortas mientras que Integral Equation Solver es usado para

simular antenas eléctricamente largas o antenas de hilo [33].


En este capítulo se expusieron parámetros esenciales de las antenas que permiten distinguir

si son óptimas para su futura implementación, entre ellos se destacan, adaptación, diagrama

de radiación, ancho de banda, eficiencia, entre otros. Se identificaron los tipos de antenas

según su estructura y se señalaron las antenas planas, específicamente las antenas de parche,

como un modelo adecuado a emplear para las frecuencias de la mm-Wave por sus

características. Además se mencionaron los principales métodos de análisis utilizados para



el diseño de este tipo de antenas, destacando el método de línea de transmisión que a pesar

de carecer de precisión es de marcada utilidad por su simplicidad. También se abordó el

principio de funcionamiento de los arreglos de antenas, identificando las configuraciones

más utilizadas: lineales, rectangulares y circulares. Finalmente se identificaron dos

herramientas útiles para el cálculo matemático y la simulación de antenas, los softwares

MatLab y CST Microwave Studio.

CAPÍTULO 3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN ARREGLO DE

ANTENA RESONANTE A 28 GHZ Y 38 GHz.

En el capítulo anterior se expusieron los argumentos teóricos que constituyen la base para

desarrollar el presente capítulo donde se realiza la implementación y simulación de un arreglo

de antenas en tres pasos de diseño utilizando el software CST Microwave Studio y MatLab

como asistente para los cálculos matemáticos necesarios. Se presentan las especificaciones

técnicas que se pretenden lograr como resultado en las simulaciones, y los criterios para la

selección de los materiales, métodos y formas de los elementos a utilizar. Finalmente se

exponen las gráficas resultantes del proceso de diseño y se comprueba mediante un ejemplo

la posibilidad de emplear el arreglo en un sistema de antenas inteligentes.

3.1 Pasos para el diseño de un arreglo de antenas doble banda resonante a 28GHz y

38 GHz

Con el propósito de suministrar un método organizado para la implementación de un arreglo

de antenas resonante a 28 y 38 GHz, se siguen en el proyecto los siguientes pasos generales

de diseño:

1. Se crea un parche resonante a una sola frecuencia 28GHz

2. Se realizan 2 hendiduras en forma de L (L-slots) al parche anterior para conseguir las

dos frecuencias deseadas, 28 GHz y 38 GHz.

3. Se implementa un arreglo de 2x3 con el elemento radiante simple de doble banda.

Otro de los aspectos que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar son las especificaciones

técnicas que se desean alcanzar como resultados en el proyecto, para poder hacer una correcta

valoración de los mismos una vez finalizadas las simulaciones en las fases enumeradas

anteriormente.

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN ARREGLO DE ANTENA RESONANTE A 28 GHz Y 38 GHz 38

3.1.1 Especificaciones técnicas a alcanzar

El elemento radiante debe resonar en las frecuencias 28 y 38 GHz con un ancho de banda

mínimo que le permita operar en los rangos de frecuencias de 26 a 29 GHz y de 37 a 39 GHz.

Otro aspecto a tener en cuenta a la hora de valorar los resultados se presenta en su diagrama

de radiación, las antenas de microcinta no exhiben, por lo general, excelentes parámetros de

directividad por lo que se debe esperar como máximo valores que oscilen alrededor de los

5dBi. Sin embargo una vez culminado exitosamente el paso 3 de diseño con la creación de

un arreglo se podrán obtener valores muy altos, típicamente mayores de 15dB. En cuanto a

la ganancia deben obtenerse valores cercanos a 3 dB para las antenas de parche simple

incrementándose, al igual que la directividad, con la creación de arreglos.

La impedancia de entrada del parche dependerá directamente del modo de alimentación y se

puede ajustar desplazando el punto de alimentación del parche. En general, este punto estará

en el eje central del parche, para que las corrientes sean lo más puras posible y no generen

mucha radiación contrapolar y debe estar acoplado a la antena con 50Ω para lograr acople de

impedancia y de esta manera evitar fenómenos como las reflexiones de onda en el punto de

alimentación que provocan una disminución en la eficiencia de la antena.

Se pretende además que el ancho de banda de reflexión esté por debajo de los -10dB (S ≤ -

10dB) en ambas frecuencias 28 y 38 GHz, este intervalo en el coeficiente de reflexión es una

meta estándar que se adopta en casi todos los diseños e indica que la antena está radiando

una gran cantidad de potencia en comparación con la potencia que refleja.

3.2 Diseño de una antena de parche resonante a 28 GHz

Debido a la gran cantidad de formas, métodos de alimentación y materiales que pueden ser

empleados en el diseño de antenas de parche es necesario hacer una buena selección de estos

parámetros para poder alcanzar las especificaciones técnicas que se desean en los resultados

del proyecto.


3.2.1 Selección de la forma del parche, los materiales a utilizar y sus respectivos

espesores

En el capítulo anterior se exhibieron algunas de las disímiles formas geométricas en que están

conformadas las antenas de parche siendo de ellas, la cuadrada, rectangular y circular, las de

mayor aceptación debido a que ya han sido estudiadas con profundidad y poseen ecuaciones

que permiten conocer con mayor o menor precisión, según sea el método de análisis utilizado

para el diseño, las dimensiones del parche a una frecuencia de resonancia determinada.

Para el diseño en cuestión se escoge un parche con forma rectangular ya que en comparación

con la forma cuadrada es más fácil a la hora de modificar sus dimensiones debido a que no

requiere una variación simultánea de las mismas, y con respecto a la circular es más sencilla

de alimentar.

Se selecciona el cobre (identificado en las librerías de CST como Copper (pure)) como

material para el parche debido a su alto coeficiente de conductividad y su gran utilización en

muchos de los diseños de este tipo de antenas. El espesor de estos elementos comúnmente se

encuentra entre los 10 y 50 𝜇m, se elige como valor un espesor de 10 𝜇m teniendo presente

un posible aumento ante la necesidad de optimizar algún parámetro del diseño inicial.

Los substratos con altas constantes dieléctricas son deseables para circuitos de microondas

porque minimizan la radiación indeseada, y conduce a elementos de menor tamaño, sin

embargo, existe una relación de compromiso con la eficiencia y el ancho de banda ya que a

medida que εr crece, se acrecenta también el deterioro de estos parámetros. De ahí a que se

elija para el sustrato como material dieléctrico FR-4 con εr = 4.3 que es una valor

comprendido en el rango 2.2 ≤ εr ≤ 12 y no se acerca al límite superior. Al mismo tiempo, a

las frecuencias tan altas de la banda milimétrica se recomienda la elección de substratos finos

por lo que en este caso se adopta un espesor de 20 𝜇m comprendido en el intervalo de

espesores típicos, de 0.002λ a 0.05λ.

El plano de masa, por otra parte, se elige por lo general con un espesor idéntico al del parche

y con un material que puede ser el mismo del parche.


3.2.2 Selección del tipo de alimentación y el método de análisis para obtener las

dimensiones iniciales de la antena

El modelo de línea de transmisión, como se expuso en el capítulo 2, destaca por ser entre los

métodos utilizados para el análisis del comportamiento de las antenas, el de mayor

simplicidad a pesar de que no ser de gran precisión. Se escoge, por tanto, este modelo con el

fin de obtener las dimensiones preliminares de la antena a una sola frecuencia de resonancia

de las dos frecuencias deseadas en el proyecto, en este caso 28GHz.

Para implementar el método de línea de transmisión se programó en MatLab una función

llamada DimParche(), la cual recibe como parámetros la frecuencia en GHz (f), la constante

dieléctrica (εr) del substrato y el espesor (h) del substrato en milímetros, devolviendo las

dimensiones de la antena, es decir, el largo y el ancho del parche y el plano de masa. En el

Anexo 3 se muestra el código de dicha función. El resultado de su empleo se muestra en el

Anexo 4.

Existen, como ya fue abordado en el capítulo anterior, varias formas de alimentar una antena

de parche, para este caso se escoge el método de acople directo ya que es un método muy

utilizado en los diseños de antenas y no requiere de muchos materiales para su

implementación. Este método consta de una línea de transmisión que va conectada al parche

con un ancho mucho menor que el de dicho elemento radiante.

Como se expuso anteriormente, el desplazamiento del punto de alimentación se puede utilizar

para lograr ajustes en la impedancia y con ello conseguir el acople. Es importante por tanto

calcular la profundidad a la que hay que conectar la línea de alimentación para asegurar un

acople con el punto de alimentación que posee por lo general una impedancia de 50 Ω.

Figura 3.1. Representación de las dimensiones del acople


Para el cálculo de los parámetros Xo, Yo y Wo, representados en la figura 3.1, se realiza una

función en MatLab que tiene como argumentos la frecuencia inicial que se quiere lograr en

el primer paso de diseño, 28GHz, el largo (L) y el ancho (W) del parche. La función tiene

como nombre MathDim(), los parámetros que devuelve así como su implementación se

especifican en el Anexo 5 y Anexo 6 respectivamente.

3.2.3 Modelación, simulación y análisis de resultados de la antena de parche resonante

a 28GHz

Las selecciones hechas en los epígrafes anteriores unido a los cálculos realizados con la

ayuda de MatLab permiten obtener los materiales y dimensiones necesarios para la

modelación y posterior simulación de la antena de parche en el software CST Microwave

Studio. En los Anexos 7, 8 y 9 se muestran una serie de tablas con un resumen de los

parámetros obtenidos.

Una vez modelada la antena, comienza el proceso de simulación en CST arrojando resultados

que no cumplen en muchas ocasiones con las especificaciones técnicas expuestas en

epígrafes anteriores. Uno de los parámetros más significativos a analizar es el de las pérdidas

de retorno S11 ya que brinda información acerca de la frecuencia a la que está resonando la

antena, dicha gráfica se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2. Pérdidas de retorno de la antena de parche

Como se puede apreciar en la figura 3.2 la antena está cercana a alcanzar la resonancia en la

frecuencia 30.9 GHz, no llega a resonar debido a que S11 no se encuentra por debajo de -

10dB, lo que se produce producto de que de que el método utilizado para obtener las


dimensiones del parche y el punto de alimentación para el acople de impedancia, no es el

más preciso.

Por otra parte el patrón de radiación exhibe parámetros como la directividad, ganancia,

eficiencia de radiación y la eficiencia total que no cumplen con las especificaciones

requeridas. Como se muestra en la figura 3.3 la ganancia muestra un valor inaceptable, la

directividad no se acerca a los 5dBi y los parámetros de eficiencia son negativos. Además la

radiación no está concentrada en la dirección adecuada, debiera estarlo en la parte superior

del parche, orientada hacia el semieje “z” positivo.

Figura 3.3. Diagrama de radiación de la antena de parche

Del análisis anterior se puede inferir que la antena no tiene un buen desempeño y es necesario

someterla a un proceso de optimización.

3.2.4 Optimización de la antena de parche resonante a 28GHz

Con la ayuda de la herramienta para la optimización que posee CST, (Optimizer), se pueden

variar algunos parámetros de la modelación realizada con el objetivo de obtener un

desempeño adecuado para la antena. Las modificaciones en las dimensiones del parche que

introduce el software son calculadas mediante el método de onda completa lo que le confiere

más precisión a los cálculos realizados en MatLab mediante el método de línea de

transmisión.

Una vez concluido el proceso de optimización el CST informa de los valores que arrojaron

el mejor resultado para los parámetros que se deseaban optimizar. Resta entonces analizar


los resultados obtenidos para la antena optimizada y verificar que haya mejorado su

desempeño en comparación con la antena previamente diseñada.

El parámetro de dispersión S11 de la antena de parche optimizada exhibe un adecuado

comportamiento, como se muestra en la figura 3.4. La antena es resonante a 28 GHz,

cumpliendo así con este requisito de diseño y posee además un ancho de banda máximo de

1.7 GHz.

Figura 3.4. Parámetro S11 de la antena de parche optimizada.

El patrón de radiación de la antena también posee una forma apropiada, como se muestra en

la figura 3.5, ya que la radiación está concentrada en la parte superior de esta, como

típicamente debe ocurrir en este tipo de antenas.

Figura 3.5. Diagrama de radiación de la antena de parche resonante a 28 GHz optimizada.

La directividad de la antena optimizada es conveniente, al igual que su ganancia, pues sus

magnitudes coinciden con los valores que típicamente se obtienen en las antenas de parche.


Las eficiencias de radiación y total también exhiben valores adecuados para este tipo de

antenas.

Como se ha demostrado anteriormente, el desempeño de la antena ha sido mejorado. De ahí

la importancia del proceso de optimización en el diseño de antenas. Los materiales y

dimensiones finales de la antena de parche optimizada resonante a 28GHz se resumen en los

Anexos 10 y 11.

3.3 Diseño de una antena resonante a 28 GHz y a 38 GHz a partir del elemento radiante

diseñado previamente

Para obtener dos bandas en el diseño de una antena de parche rectangular, dos de los métodos

más simples que pueden usarse son introducir una abertura, lo que es comparable con el

efecto que logran múltiples elementos radiantes acoplados, o usar dispositivos armónicos

como los diodos varactor. Hay muchas formas de ranuras que pueden ser aplicadas en el

parche como la abertura en forma de L (L-slot) y la abertura en forma de U (U-slot) las cuales

ayudan en la producción de dos frecuencias de operación.

Para este diseño en particular se escoge hacer dos pequeñas ranuras simétricas en forma de

L al parche diseñado y optimizado previamente para una frecuencia de resonancia 28GHz.

Las dimensiones iniciales de las ranuras se especifican en la figura 3.6.

Figura 3.6. Dimensiones preliminares de las ranuras abiertas al parche.

Una vez simulada la antena en el CST se pueden apreciar como resultado de este proceso las

gráficas que se muestran a continuación.


Figura 3.7. Parámetro S11 de la antena de parche doble banda sin optimizar.

El parámetro de dispersión de la antena, mostrado en la figura 3.7, revela, en primer lugar,

que existe resonancia en dos bandas de frecuencia, una banda con centro en 28 GHz y la otra

con centro en 39.5 GHz, esta última, cercana a 38 GHz que es la otra frecuencia que se

persigue como objetivo en el proyecto. En segundo lugar, se puede apreciar que a pesar de

que la caída para la segunda banda se encuentra por debajo de -10dB pudiera acrecentarse un

poco más mediante un proceso de optimización para que a la frecuencia de resonancia, la

antena transmita con mayor cantidad de potencia.

Figura 3.8. Patrón de radiación para 28 GHz de la antena de parche doble banda.


Figura 3.9. Patrón de radiación para 38 GHz de la antena de parche doble banda.

Por otra parte, del análisis del patrón de radiación de la estructura para la frecuencia de 28

GHz y para 38 GHz, mostrado en la figura 3.8 y 3.9 respectivamente, se puede inferir que la

directividad exhibe un buen comportamiento, mayor que 5dBi, sin embargo los parámetros

de eficiencia son negativos. Al hacer un examen de las ganancias obtenidas en cada

frecuencia (Anexo 12) se perciben valores adecuados de este parámetro para este tipo de

antenas, superiores a 3dB. Se puede apreciar que para ambas casos, además, la radiación está

concentrada en la dirección adecuada, hacia la parte superior del parche.

De las observaciones anteriores se deriva que existen algunos parámetros que no se

corresponden con los requerimientos que se desean alcanzar en esta fase del proyecto por lo

que es necesario desarrollar un proceso de optimización para obtener mejoras en los

resultados del diseño.

3.3.1 Optimización de la antena de parche resonante a 28 GHz y 38 GHz

Con la ayuda del Optimizer se eligen una serie de parámetros, representados en la figura 3.10

para que, durante el proceso de optimización, sean modificados sus valores y el programa

pueda hacer una selección de los más recomendables para el diseño.


Figura 3.10. Elección de los parámetros a modificar con la herramienta Optimizer.

Una vez finalizado el proceso de optimización solo resta analizar las gráficas resultantes del

mismo y establecer comparaciones con los resultados analizados anteriormente.

Figura 3.11. Parámetro S11 de la antena de parche doble banda optimizada.

El parámetro de dispersión de la antena S11, representado en la figura 3.11, exhibe

comportamientos adecuados y esta vez, centrados en las frecuencias propuestas en el

proyecto, 28 GHz y 38 GHz. En comparación con los resultados obtenidos anteriormente,

antes de haber sido efectuado el proceso de optimización, se puede distinguir que para la


banda derecha existe una evidente mejora de S11 al acrecentarse el pico llegando hasta S11=

-12dB.

Figura 3.12. Patrón de radiación a 28 GHz de la antena de parche doble banda optimizada.

Figura 3.13. Patrón de radiación a 38 GHz de la antena de parche doble banda optimizada

Por otra parte los patrones de radiación para 28GHz y para 38GHz, reflejan que las

directividades, representadas en las figuras 3.12 y 3.13 respectivamente, y las ganancias

(Anexo 13) prácticamente no varían, y se mantienen aceptables para este tipo de antenas.

Además, la eficiencia de radiación y la eficiencia total conservan valores que son

inadmisibles, pero tanto estos últimos parámetros como la directividad y la ganancia pueden


ser transformados mediante la agrupación de varias antenas de este tipo formando un arreglo,

proceso que se desarrolla en el epígrafe siguiente.

3.4 Diseño de un arreglo de antenas 2x3

Una vez realizada la antena de parche simple resonante a las dos frecuencias proyectadas, se

puede iniciar el proceso de implementación de un arreglo de antenas para estas bandas de

frecuencias.

El arreglo se diseña de forma rectangular y se definen dos nuevos parámetros, Δx y Δy, que

representan el espaciamiento existente entre los elementos adyacentes tanto en el eje “x”

como en el “y”. El arreglo está compuesto por seis elementos iguales dispuestos sobre un

único plano de masa de 26.75 x 16.05 mm al cual se le agrega una ranura a la entrada de cada

elemento para poder alimentarlos de manera independiente (Anexo 14). De esta forma el

arreglo de antenas puede unirse con un bloque de procesamiento de señales el cual se

encargará de variar la fase y amplitud con la que se alimenta cada elemento de manera

independiente con el fin de conformar un patrón de radiación que dirija la máxima radiación

hacia la posición del usuario deseado. El espaciamiento Δx y Δy fue establecido a λ/2 =5.35

mm ya que este es el que típicamente se adopta en los arreglos de antena.

Los resultados de la simulación muestran una marcada diferencia en comparación con los de

la antena de parche simple. Se destacan grandes mejoras en la representación del diagrama

de radiación para las dos bandas, en cuanto a la ganancia (Anexo 15 y 16), la directividad y

la eficiencia obtenida (Anexo 17 y 18), supliendo así las deficiencias que presentaban los

patrones obtenidos para la antena simple.

Otro parámetro de interés para medir el desempeño del diseño es el nivel de lóbulos laterales

(Side Lobe Level, SLL), en los Anexos 19 y 20, están representados para 28 GHz y 38 GHz.

Ambas gráficas tienen un comportamiento deseable ya que supera en varios decibeles el

lóbulo principal al lóbulo secundario de mayor ganancia.

Al mismo tiempo que son notorios los progresos en todos los parámetros de desempeño

evaluados anteriormente, se degradan las pérdidas de retorno S11, en comparación con las

del elemento radiante simple. El Anexo 21 muestra en las gráficas S11, S22, S33, S44, S55

y S66, el comportamiento de este parámetro en cada uno de los elementos del arreglo. Se


puede apreciar que en las gráficas existen ligeros desplazamientos en frecuencia lo que está

dado porque la impedancia, en cada elemento del arreglo, es distinta. Esto sucede debido al

efecto que inducen los objetos cercanos en cada uno de los elementos, provocando una

variación en su impedancia. Aun así el arreglo sigue resonando en las frecuencias deseadas

y con los valores de S11 propicios.

Los resultados pueden variar, en teoría, con el incremento del número de elementos en el

arreglo. Se puede distinguir en el conjunto configurado cómo con solo seis elementos se

pueden obtener muy buenos resultados en cuanto a ganancia, directividad, relación front to

back y selectividad en el haz, al hacerse más estrecho.

3.4.1 Optimización de la antena de parche resonante a 28 GHz y 38 GHz

Para comprobar si el arreglo propuesto es adecuado para formar parte de un SAS (Smart

Antenna System) se modifican en el CST Microwave Studio las fases de alimentación de los

elementos del arreglo variando la matriz de fases. Los resultados de las simulaciones

muestran que el patrón de radiación se puede controlar y direccionar mediante las fases de

corriente que alimentan sus elementos (Anexos 22-26). El arreglo diseñado para las bandas

28 GHz y 38 GHz puede ser empleado, por tanto, en un SAS.


En este capítulo se expusieron los pasos efectuados para el diseño y simulación de un arreglo

de antenas de parche que opera en las frecuencias 28 GHz y 38 GHz. En un primer momento

se diseñó una antena de parche resonante a 28 GHz que cumple con los requisitos

especificados en el capítulo. Se implementó luego una antena de parche doble banda

resonante a 28 GHz y 38 GHz haciéndole algunas modificaciones estructurales a la antena

anterior y finalmente se propuso un arreglo de seis elementos, utilizando la antena doble

banda, que proporciona grandes mejorías comparadas con el elemento resonante simple.

Estas estructuras se modelaron y simularon en CST Microwave Studio partiendo de las

dimensiones calculadas con MatLab las cuales fueron variando en los procesos de

optimización desarrollados. Finalmente se compruebó mediante un ejemplo la posibilidad de

emplear el arreglo en un sistema de antenas inteligentes.

CONCLUSIONES

En el presente trabajo se propuso un arreglo de antenas para el trabajo en las bandas de 28

GHz y 38 GHz, mediante la utilización de las herramientas MatLab y CST Microwave

Studio. Durante su realización se arribó a las siguientes conclusiones:

Para corresponder a las demandas de altas razones de transferencia de datos y

latencias reducidas que demanda la 5G, es necesario el uso del amplio espectro de

frecuencias sin asignar que posee la banda milimétrica, y los beneficios en cuanto a

direccionalidad, fiabilidad, reducción de interferencias y reutilización del espacio que

aportan los sistemas de antenas inteligentes.

Las antenas de microcinta son una buena elección para la Quinta Generación de las

comunicaciones móviles por sus bajos costos de implementación y su reducido

tamaño que hacen que sea viable su integración en arreglos constituidos por

numerosos elementos.

CST Microwave Studio es una herramienta de simulación factible para la modelación

y simulación de estructuras que trabajan a las altas frecuencias de la banda

milimétrica. Además, garantiza la optimización de los diseños utilizando métodos de

análisis precisos y procedimientos avanzados que le facilitan al usuario tareas que

mediante técnicas manuales pudieran llegar a ser muy engorrosas y lentas. El MatLab

por otra parte constituye un excelente apoyo en el diseño de antenas para efectuar

cálculos numéricos de gran complejidad.

El arreglo de seis elementos implementado evidencia un aumento notable en los

parámetros: ganancia, directividad, eficiencia de radiación y relación front to back,

en comparación con los parámetros de las antenas de parche simple, lo que hace que

aumente grandemente el desempeño de la antena a pesar de dar lugar a leves

corrimientos de frecuencia.

Se verificó a través de simulaciones que el arreglo implementado es direccionable y

controlable electrónicamente y por consiguiente puede formar parte de un SAS.

RECOMENDACIONES

Se considera que las siguientes recomendaciones pueden ser de utilidad para enriquecer el

estudio realizado y los resultados obtenidos:

Seguir investigando sobre otras bandas de frecuencias que se encuentren dentro de

los rangos no limitados por la UIT y que pudieran utilizarse en las futuras

comunicaciones móviles.

Profundizar en el estudio de los sistemas de antenas inteligentes con el fin de

implementar arreglos de antenas que permitan optimizar el desempeño de este

sistema.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS


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ANEXOS 57

ANEXOS

Anexo 1 Valores típicos de eficiencias en diferentes tipos de antena [26]

Tipos de Antenas Eficiencia (Valor Típico)

Dipolos 90%

Bocinas 90%

Parches 80%

Arreglos Impresos 70%

Reflectores 65%

Anexo 2 Representación de los métodos de alimentación de antenas de parche [26]

ANEXOS 58

Anexo 3 Programación en MatLab del método de línea de transmisión para

calcular las dimensiones del parche

Anexo 4 Resultados obtenidos mediante la función DimParche

>> PatchDim(28,4.3,0.02)

Largo del parche = 2.582mm

Ancho del parche = 3.291mm

Largo del plano de masa = 2.702mm

Ancho del plano de masa = 3.411mm

ANEXOS 59

Anexo 5 Programación en MatLab de las ecuaciones para calcular las dimensiones

de acople para la antena de parche

function [ ] = MatchDim(f,L,W)

% Alimentación directa del parche

% Cálculo de la profundidad de la línea en el parche para lograr acople

% con el puerto de alimentación de 50 ohm de impedancia.

% MatchDim(Frecuencia(GHz), Largo del parche(mm) ,Ancho del parche(mm))

% Devuelve el valor en mm de la profundidad a la que se debe alimentar al parche %

rectangular para lograr acople con el puerto de alimentación de 50 ohm.

la = 300/f; % longitud de onda en mm

ko = 2*pi/la; % número de onda

syms x;

I1 = int((((0.5*ko*W*cos(x))/(cos(x)))^2)*((sin(x)^3)),x,0,pi);

I1 = vpa(I1,5); % se pide una precisión de 5 dígitos

I12 = int((((0.5*ko*W*cos(x))/(cos(x)))^2)*(besselj(0, ko*L*sin(x)))*((sin(x)^3)),x,0,pi);

I12 = vpa(I12,5); % se pide una precisión de 5 dígitos

G1 = vpa(I1/(120*pi*pi), 5); % Conductancia propia

G12 = vpa(I12/(120*pi*pi), 5); % Conductancia mutua

Rin = 1/(2*(G1+G12)); % Resistencia de entrada del parche

Xo = (acos(sqrt(50/Rin))*L)/pi; % Profundidad para logar acople con 50 ohm

Xo = vpa(Xo,3);

Wo = vpa(W/5,3); % Anchura de la línea

Yo = vpa(Wo/4,3); % Ancho de aperturas de acople

fprintf('\nProfundidad (mm) en el parche: Xo = ');

disp(Xo);

fprintf('\nAnchura (mm) de la línea: Wo = ');

disp(Wo);

fprintf('\nAncho (mm) de las aperturas de acople: Yo = ');

disp(Yo);

end

Anexo 6 Resultados obtenidos mediante la función MatchDim()

>> MatchDim(28,2.582,3.291)

Profundidad (mm) en el parche: Xo = 0.945

Anchura (mm) de la línea: Wo = 0.658

Ancho (mm) de las aperturas de acople: Yo = 0.165

ANEXOS 60

Anexo 7 Características de los materiales de la antena

Componentes Material Características

Parche Cobre σ = 5.96*107 S/m

Sustrato FR-4 εr = 4.3, tan δ= 0.025

Plano de Masa Cobre σ = 5.96*107 S/m

Anexo 8 Dimensiones preliminares de la antena de parche resonante a 28 GHz

Componentes Largo Ancho Espesor

Parche 2.582 mm 3.291 mm 10𝜇m

Sustrato 2.702 mm 3.411 mm 20𝜇m

Plano de Masa 2.702 mm 3.411 mm 10𝜇m

Anexo 9 Dimensiones preliminares del acople

Anexo 10 Dimensiones finales de la antena de parche resonante a 28 GHz

Componentes Largo Ancho Espesor

Parche 1.89 mm 1.672 mm 0.1 mm

Sustrato 5.35 mm 5.35 mm 1 mm

Plano de Masa 5.35 mm 5.35 mm 0.1 mm

Anexo 11 Dimensiones finales del acople después de la optimización

Parámetros Dimensión

Xo 0.945 mm

Wo 0.658 mm

Yo 0.165 mm

ANEXOS 61

Anexo 12 Representación de la ganancia para f = 28 GHz y f = 38 GHz en el patrón

de radiación de la antena de parche doble banda

Parámetros Dimensión

Xo 0.5 mm

Wo 0.4 mm

Yo 0.165 mm

ANEXOS 62

Anexo 13 Representación de la ganancia para f = 28 GHz y f = 38 GHz en el patrón

de radiación de la antena de parche doble banda optimizada

ANEXOS 63

Anexo 14 Arreglo de antenas de 6 elementos con ranuras para la alimentación

independiente.

ANEXOS 64


ganancia


ganancia

ANEXOS 65


directividad


directividad

ANEXOS 66

Anexo 19 Nivel de lóbulos laterales (LSS) para 28 GHz

Anexo 20 Nivel de lóbulos laterales (LSS) para 38 GHz

ANEXOS 67

Anexo 21 Pérdidas de retorno para cada elemento del arreglo

ANEXOS 68

ANEXOS 69

Anexo 22 Funcionalidad como antena inteligente

ANEXOS 70


ANEXOS 71


ANEXOS 72


ANEXOS 73


implementación de un arreglo de antenas doble banda

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