Antena_Impresa_Dual_para_Aplicaciones_Wi.pdf

8/17/2019 Antena_Impresa_Dual_para_Aplicaciones_Wi.pdf

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Antena Impresa Dual para AplicacionesWiFi y WiMAX

E. Ávila Navarro(1), José A. Carrasco(1), C. Reig(2)

[email protected], [email protected], [email protected].

(1) Dpto. de Ciencia de Materiales, Óptica y Tecnología Electrónica. Universidad Miguel Hernández de Elche.Avda. de la Universidad s/n, 03202, Elche.

(2) Dpto. de Ingeniería Electrónica. Universidad de Valencia.c./ Dr. Moliner 50, 46100 Burjassot.

Abstract- In this paper, a new design of a dual frequency compactprinted antenna is presented. The antenna consists on two dipole

bands, with different number of printed dipoles, distributed on

both faces of the substrate. As example, a low-cost dual antenna,

useful for WiFi and WiMAX applications, is designed, simulated

(by an in house developed FDTD algorithm), fabricated and

measured. Calculated and measured return losses and radiationpatterns are presented. The antenna, designed with two dipoles

in each band, presents two frequency operation bands with great

bandwidth (more than 25%). The measured absolute gain was

3.3dBi at 2.5GHz and 7.9dBi at 5GHz, with radiation patterns

slightly directional.

I. INTRODUCCIÓN

El rápido despliegue de aplicaciones basadas en losnuevos sistemas de comunicaciones inalámbricas, junto conlas limitaciones que estos presentan en cuanto al rango defrecuencias de funcionamiento y, consecuentemente, elnúmero de usuarios simultáneos ha llevado a la definición de

nuevos estándares que permiten el uso de varias bandasfrecuenciales al mismo tiempo. Este es el caso de WiFi yWiMAX. WiFi está soportado por los protocolos de lafamilia 802.11, definidos en varias bandas de frecuencias:802.11a en la banda de 5.5GHz, 801.11b y 802.11g en labanda de 2.45GHz y 802.11n que utiliza ambas bandas defrecuencia. WiMAX, por su parte, está definido por la familiade protocolos 802.16 y prevé el uso de varias bandasfrecuenciales entre 2GHz y 11GHz. Las bandas actuales deuso por parte de WiMAX son tres: 2.45GHz, 3.6GHz y5.5GHz, esta última dividida en dos sub-bandas, una baja en5.2GHz y otra alta en 5.8GHz [1].

Evidentemente, para posibilitar la implantación deaplicaciones que utilicen varias bandas frecuenciales deforma simultánea, se necesitan antenas que lo permitan. Porello, en los últimos años se están investigando ydesarrollando numerosas antenas impresas multiresonantes,con varias bandas frecuenciales útiles en el rango de lasaplicaciones inalámbricas personales. Algunas de estasantenas utilizan monopolos impresos con elementos parásitos[2], elementos radiantes tipo F con elementos truncados yconectados al plano de masa [3] o varios parches resonantes

junto con elementos parásitos tipo slot [4].En este artículo, se presenta una nueva configuración de

antena impresa dual, formada por dos agrupaciones de

dipolos impresos, cada una de ellas asociada a una de las dosbandas frecuenciales de funcionamiento de la antena. Los

dipolos de cada agrupación están escalados logarítmicamentecon la frecuencia, y se sitúa uno de los brazos de cada dipoloen la parte superior del sustrato y el otro en la parte inferior.De esta forma se consigue alimentar cada uno de los dipoloscon la corrección de fase necesaria, sin necesidad de incluir

elementos externos [5].A modo de ejemplo, se ha seleccionado un prototipo deantena dual con dos bandas de funcionamiento, centradas en2.5GHz y 5GHz respectivamente. La antena se ha analizado ysimulado mediante un código propio, desarrollado por losautores y basado en el algoritmo FDTD. Las pérdidas deretorno (S11) se han calculado en la línea de alimentación dela antena, presentando un ancho de banda excelente en ambasbandas frecuenciales. Igualmente, se presentan los diagramasde radiación simulados, obtenidos mediante unatransformación de campo cercano a campo lejano, para lafrecuencia central de las dos bandas de funcionamiento de laantena. Los resultados obtenidos con el código FDTD se han

corroborado mediante medidas. Las medidas, tanto de laspérdidas de retorno como los diagramas de radiación, se hanrealizado con el analizador de redes vectorial E8363B deAgilent Technologies. Las medidas de los diagramas deradiación se han realizado en el interior de una cámaraanecoica.

II. DISEÑO DE LA ANTENA

En la figura 1 se muestra un esquema de la antena dualpropuesta. Como se puede observar, la antena consiste en dosagrupaciones de dipolos impresos, cada una de ellasresonante a una banda frecuencial distinta. Cada agrupación

tiene un comportamiento logoperiódico con la frecuencia, deforma que las dimensiones de cada uno de los dipolos queforman las agrupaciones (longitud, anchura y separaciónentre dipolos) están escaladas siguiendo la siguiente relación,que define el factor de escalado de la agrupación:

1 1 1

Xm Xm Xm

Xm Xm Xm

l s w

l s wτ

+ + +

= = = (1)

donde el subíndice X hace referencia a cualquiera de las dosagrupaciones de dipolos.

Los dipolos disponen de dos brazos, uno de ellos impreso

en la cara superior del sustrato y el otro en la cara inferior.Además, la situación de cada uno de los brazos del dipolo serealiza de forma alterna respecto a su predecesor. De esta

Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5


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forma se obtiene la correcta alimentación en fase de losdipolos de la antena sin necesidad de incluir desfasadoresexternos, lo que reduce el tamaño final de la misma.

Fig. 1. Esquema de la antena dual.

El primer paso en el diseño de la antena consiste endeterminar el número de dipolos de los que consta cada unade las agrupaciones. Este número depende de losrequerimientos de ancho de banda y viene condicionado porel factor de escalado, τ, que controla el solapamiento entre lasfrecuencias de resonancia de cada uno de los dipolos. Elfactor de escalado puede ser distinto para cada agrupación ysuele variar entre 0.75 y 0.95.

Una vez determinado el número de dipolos de cadaagrupación se procede al diseño de las dimensiones de cadauna de ellas. Primeramente se diseña el dipolo más grande dela agrupación, que será resonante a la frecuencia más baja dela banda correspondiente. Debido a la configuración deldipolo (un brazo en cada una de las dos caras del sustrato), lalongitud del dipolo se ve notablemente afectada por lascaracterísticas del sustrato, especialmente la constantedieléctrica, y por la frecuencia de diseño, obteniéndoselongitudes de dipolo que varían entre 0.3λ y 0.4λ, valor

sensiblemente inferior a los 0.5λ utilizados habitualmente enlos dipolos con otras configuraciones [6]. La longitud exactapara este primer dipolo se determina mediante simulacionespara el sustrato y frecuencia de resonancia elegidos. Laanchura de este dipolo más grande se obtiene para que laimpedancia de entrada de la antena sea de 50Ω. La longitud yanchura del resto de los dipolos de la agrupación se obtieneaplicando la relación de escalado.

La separación entre el dipolo más grande de la agrupacióny el siguiente se obtiene aplicando la siguiente relación,utilizada en el diseño de las antenas logoperiódicastradicionales [5]:

02 011 2

0.243 0.05122 2 1 X

S λ λ τ

τ −

− = ⋅ − ⋅

− (2)

donde λ02 y λ01 son, respectivamente, la longitud de onda a lafrecuencia de resonancia del dipolo más grande y del dipoloadyacente. La separación entre los siguientes dipolos seobtiene aplicando la relación de escalado.

La separación entre el dipolo más pequeño de laagrupación A (asociada a la banda frecuencial superior) y elpunto de alimentación de la antena, etiquetada como S0-A en

el esquema de la figura 1, se ajusta a media longitud de ondaa la frecuencia más alta de la banda correspondiente(frecuencia de diseño del dipolo más pequeño) en la striplinede alimentación. Este valor, λg /2, es el mínimo necesario paraque se conforme una onda completa a la frecuencia más altade trabajo dentro de la línea de alimentación, y es la distanciaóptima, ofreciendo los mejores resultados para este tipo dealimentación de dipolos impresos [7].

Por último, falta por determinar la separación entre lasdos agrupaciones de dipolos (etiquetada como SA-B en elesquema de la antena). Esta dimensión se determina medianteuna serie de simulaciones, realizadas con el código propiodesarrollado por los autores, en las que se modifica

ligeramente la separación entre agrupaciones y se obtienenlas pérdidas de retorno de la antena resultante. La dimensiónfinal será aquella que proporcione mejores resultados en lasdos bandas frecuenciales de diseño.

III. RESULTADOS

Siguiendo la estructura de la antena presentada en lafigura 1 se ha diseñado, simulado, fabricado y medido unaantena impresa dual. A modo de ejemplo se han seleccionadodos bandas frecuenciales de funcionamiento situadasalrededor de 2.5GHz y 5GHz. Como sustrato se ha utilizadoel estándar de bajo coste utilizado en la fabricación de

circuitos impresos (grosor h=1.52mm y permitividad eléctricarelativa εr=3.9).

Cada una de las dos agrupaciones, asociadas a las dosbandas frecuenciales de funcionamiento, están formadas pordos dipolos impresos. Para la banda de frecuencias entorno a2.5GHz, la relación entre la longitud de los dipolos y lalongitud de onda de resonancia es LDIP = 0.36λ0; el dipolomás grande de esta agrupación se diseña para que searesonante a 2.35GHz. Para frecuencias entorno a 5GHz larelación para la longitud de los dipolos es LDIP = 0.34λ0. Eneste caso el dipolo más grande de la agrupación es resonantea 4.7GHz.

Siguiendo el método de diseño mostrado en el apartadoanterior se obtienen todas las dimensiones de la antena,excepto la separación entre bandas de dipolos. Tanto laanchura de la línea de alimentación como la del dipolo másgrande de la antena se ajustan para obtener 50Ω en el puntode alimentación (WL=3mm). En la tabla 1 se muestran lasdimensiones de la antena. El factor de escalado elegido paraambas agrupaciones es τ = 0.88.

Por último, falta por determinar la separación entreagrupaciones de dipolos, etiquetada como SA-B en el esquemade la antena. Para ello, se han realizado varias simulacionescon distintos valores de separación, evaluándose las pérdidasde retorno en cada una de ellas. En la figura 2 se muestran los

resultados obtenidos para los valores más representativos deseparación entre bandas. El valor de SA-B seleccionado esaquel que presenta mejores resultados en las dos bandas de

SO-A

SA-B

Banda A

Banda B

SA1-2

SB1-2

LA1

LA2 LB1 LB2

WA1WA2

WB1 WB2

WL

SO-A

SA-B

Banda A

Banda B

SA1-2

SB1-2

LA1

LA2 LB1 LB2

WA1WA2

WB1 WB2

WL



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frecuencias deseadas; en nuestro caso 30mm, mostrado enazul y con trazo más grueso en la figura 2.

Banda A (5GHz) - ττττ= 0.88

DipoloFrecuencia

(GHz)

Longitud

(mm)

Anchura

(mm)

Separación

(mm)

A1 5.34 LA1=18.26 WA1=1.76 S0-A=17.07

A2 4.7 LA2=20.74 WA2=2 SA1-2=10.38Banda B (2.5GHz) - ττττ= 0.88

DipoloFrecuencia

(GHz)

Longitud

(mm)

Anchura

(mm)

Separación

(mm)

B1 2.67 LB1=40.45 WB1=2.64 SB1-2=20.76B2 2.35 LB2=45.96 WB2=3

Tabla 1. Dimensiones del la antena dual 2.5GHz – 5GHz.

Fig. 2. Pérdidas de retorno para distintas separaciones entre bandas..

Para corroborar el proceso de diseño, llevado a cabomediante simulaciones, se ha fabricado la antena dual consustrato de bajo coste mediante insolación y ataque químico,con las dimensiones mostradas en la Tabla 1. Posteriormentese han medido las características de la misma.

Las pérdidas de retorno, tanto simuladas como medidascon el analizador de redes vectorial E8363B de AgilentTechnologies se muestran en la figura 3. Como se puedecomprobar, hay una gran concordancia entre ambosresultados. Se observa como aparecen dos bandas defrecuencias útiles entorno a 2.5GHz (frecuencia central

2.47GHz, ancho de banda 900MHz) y 5GHz (frecuenciacentral 4.9GHz, ancho de banda 1.35GHz). Cabe destacarque aparece una banda resonante entorno a 3.5GHz, debida alos modos resonantes de orden superior de los dipolos de laagrupación A. Esta resonancia no sería útil, ya que losdiagramas de radiación presentados por la antena a estafrecuencia distan mucho de los esperados [5].

Los diagramas de radiación de la antena se han medido enel interior de una cámara anecoica. En la figura 4 se muestranlos diagramas tanto medidos como simulados en los dosplanos principales y para las dos frecuencias centrales defuncionamiento de la antena (2.5GHz y 5GHz). De nuevo, laconcordancia entre los resultados medidos y los simulados esmuy alta, obteniéndose diagramas de radiación ligeramentedirectivos en la dirección de alimentación de la antena.

Fig. 3. Pérdidas de retorno simuladas y medidas para la antena dual.

Finalmente se ha obtenido la ganancia. En la banda baja

de funcionamiento la ganancia medida para la antena es de3.3dBi (4.1dBi calculados con el simulador), mientras quepara 5GHz se ha medido una ganancia de 7.9dBi (7.2dBicalculados).

En la figura 5 se muestra el prototipo de antena dualfabricado.

Fig. 4. Diagramas de radiación medidos y simulados de la antena dual.

a) Plano E

b) Plano H



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Fig. 5. Antena dual fabricada.

IV. . CONCLUSIONES

En el presente trabajo se han presentado una nueva

topología de antena impresa dual formada por dosagrupaciones de dipolos impresos, cada una de ellas con uncomportamiento periódico con la frecuencia. El número dedipolos impresos de cada agrupación depende de losrequisitos de ancho de banda deseados en cada una de las dosbandas frecuenciales de utilización. Los dipolos disponencada uno de sus brazos impresos en una cara distinta delsustrato dieléctrico, proporcionando de esta forma la correctaalimentación en fase sin necesidad de incluir desfasadoresexternos. Este tipo de alimentación reduce notablemente eltamaño final de la antena (más de un 25%).

Igualmente, se ha mostrado el método de diseño generalde estas antenas, y se ha particularizado para dos bandas

frecuenciales de funcionamiento utilizadas en los sistemasinalámbricos personales (WiFi y WiMAX) centradas en2.5GHz y 5GHz. El sustrato utilizado en el diseño de laantena es el estándar de bajo coste utilizado en la fabricaciónde circuitos impresos.

Las dimensiones óptimas de la antena se han obtenidomediante un simulador FDTD desarrollado por los autores.Posteriormente, se ha fabricado un prototipo de la antena y sehan medido sus características tanto de reflexión como deradiación, obtenido en ambos casos una gran concordanciaentre los resultados simulados y los medidos.

Las medidas corroboran la existencia de las dos bandas de

frecuencias válidas, con un gran ancho de banda en cada unade ellas (900MHz alrededor de 2.5GHz y 1.35GHz alrededorde 5GHz). Los diagramas de radiación obtenidos sonligeramente directivos hacia la zona de alimentación de laantena, presentando una moderada ganancia (3.3dBi en labanda baja de funcionamiento y 7.9dBi en la banda alta).

AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren agradecer a Guillermo Martínez de laTorre su ayuda en la fabricación de las antenas.

REFERENCIAS

[1] Cuadro nacional de Atribución de Frecuencias, disponible enwww.mityc.es/Telecomunicaciones/Secciones/Espectro/cnaf/ , páginaweb consultada en fecha 17/4/2008

[2] Liang-Che Chou, Kin-Lu Wong, Uni-planar dual-band monopoleantenna for 2.4/5 GHz WLAN operation in the laptop computer, IEEETrans. Antennas Propagation, vol. 55, No. 12, pp. 3739-3741, 2007.

[3] Chung Ping Liu, Jung Chang Wu, Ji-Chyun Liu, Modified stackinverted-F antenna with corner-truncated techniques for WLAN 2.4/5GHz band applications, Microwave and Optical Technology Letters,vol. 48, No. 12, pp. 2378-2381, 2006.

[4] V. Deepu, K.R. Rohith, J. Manoj, M.N. Suma, K. Vasudevan, C.K.Aanandan, P. Mohanan, Compact uniplanar antenna for WLANapplications, Electronics Letters, vol. 43, No. 2, pp. 70-72, 2007.

[5] E. Ávila-Navarro, J.M. Blanes, J.A. Carrasco, C. Reig, E.A. Navarro. Anew bi-faced log-periodic printed antenna. Microwave and OpticalTechnology Letters 48, No. 2, pp. 402-405, 2006.

[6] Ernesto Ávila Navarro, José Antonio Carrasco Hernández, Cándid ReigEscrivá, Antena impresa multibanda, Patente con Número de Solicitud:P200700087.

[7] E. Ávila-Navarro, J.A. Carrasco, C. Reig, Design of Yagi-Like printedantennas for WLAN applications, Microwave and Optical TechnologyLetters 49, No. 9, pp. 2174-2178, 2007.


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