aplicación en WiFi.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”.

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA.

“Diseño, simulación, construcción y

mediciones de una antena de microcinta

tipo L en la banda de 2.45 GHz para su

aplicación en WiFi”.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA.

PRESENTAN:

JOSÉ DE JESÚS SALGADO PINEDA.

LEÓN FELIPE GARCÍA HERNÁNDEZ.

LUIS ANTONIO AGUILAR ROMERO.

ASESORES:

DR. SALVADOR RICARDO MENESES GONZÁLEZ.

DR. CIRILO GABINO LEÓN VEGA.

MÉXICO, CIUDAD DE MÉXICO. JUNIO 2016.

http://mx.geocities.com/ipn_cecyt1/programas/Ipn.zip

http://mx.geocities.com/ipn_cecyt1/programas/Ipn.zip

Instituto Politécnico Nacional. E S I M E

II | Página

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer principalmente a Dios por permitirme llegar a este momento tan

importante, a mi familia, especialmente a mis padres y hermanos por la mejor herencia

que pudiera recibir, fruto del inmenso apoyo incondicional, amor y confianza que en mi

depositaron, a mi novia y amigos por su cariño, paciencia, consejos y alientos de

motivación, a mis maestros por sus conocimientos y experiencias transmitidos dentro y

fuera del aula. Gracias a todos por ser partícipe de mi logro profesional y personal, con

cariño y aprecio.

JOSÉ DE JESÚS SALGADO PINEDA.

A mi familia que gracias a su confianza, apoyo incondicional en toda mi vida y sobre

todo en los duros años de mi carrera profesional siempre estuvieron a mi lado y en

especial quiero agradecer a mis padres que siempre me impulsaron a seguir adelante

así mismo a mi esposa quien también fue una pieza fundamental en este logro y a ti

hijo que siempre estuviste a mi lado brindandome tu apoyo a pesar de ser tan

pequeñito.

LEÓN FELIPE GARCÍA HERNÁNDEZ.

A mis maestros que me brindaron sus conocimientos y marcaron cada etapa a lo largo

de la carrera, a mis asesores por su ayuda y sabiduría para la elaboración de esta

tesis, a mi abuelo José Dolores por ser un ejemplo de vida y fortaleza humana y quien

me ha dado ánimos, por último y no menos importante, a mis padres por haberme

apoyado en todo momento, por sus consejos, por motivarme constantemente, por ser

un gran ejemplo de perseverancia y constancia, es por ustedes que he sabido salir

adelante y a no darme por vencido.

LUIS ANTONIO AGUILAR ROMERO.


III | Página

ÍNDICE

ÍNDICE DE TABLAS.............................................................................................................. VI

ÍNDICE DE FIGURAS. ........................................................................................................... VI

ACRÓNIMOS. ......................................................................................................................... VI

PRÓLOGO. ................................................................................................................................ X

INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................... XI

OBJETIVO GENERAL. ........................................................................................................ XIII

OBJETIVOS PARTICULARES. ...................................................................................... XIII

CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WIFI. .................................. 1

1.1 Antecedentes. ................................................................................................................. 2

1.2 Estándares de WLAN. ................................................................................................... 5

1.3 Tipos de redes inalámbricas. ........................................................................................ 7

1.4 Frecuencias para los canales de la banda de 2.4 GHz WiFi. ................................ 9

1.5 Banda de 2.4 GHz WLAN / disponibilidad de canales WiFi. ................................. 10

1.6 Principales tipos de antenas para WiFi..................................................................... 11

CAPÍTULO 2. PARÁMETROS DE ANTENAS. ................................................................ 19

2.1 Antecedentes. ............................................................................................................... 20

2.2 Tipos de antenas. ......................................................................................................... 22

Antenas de hilo o alambre ............................................................................................. 22

Antenas de apertura ........................................................................................................ 23

Antenas de Microstrip (microcinta) ............................................................................... 23

Antenas de reflexión ........................................................................................... 24

Antenas de lentes ............................................................................................... 25

2.3 Parámetros de una antena. ....................................................................................... 26


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Patrón de radiación. ........................................................................................................ 26

Lóbulos de radiación. ...................................................................................................... 28

Regiones de campo. ....................................................................................................... 28

Densidad de potencia radiada. ...................................................................................... 30

Eficiencia de la antena. .................................................................................................. 30

Directividad. ...................................................................................................................... 32

Ancho de banda. .............................................................................................................. 33

Impedancia de entrada. .................................................................................................. 35

Ganancia. .......................................................................................................................... 36

CAPÍTULO 3. DISEÑO Y SIMULACIÓN. .......................................................................... 42

3.1 Antenas de Microstrip (Microcinta). ........................................................................... 42

3.2 Antecedentes. ............................................................................................................... 43

3.3 Antena de ranura (Slot). .............................................................................................. 45

3.4 Técnicas de alimentación. ........................................................................................... 46

3.5 Alimentación coaxial (alimentación por contacto). .................................................. 46

3.6 Alimentación por línea de microstrip ......................................................................... 48

3.7 Inserción......................................................................................................................... 48

3.8 Sustrato para antenas de microstrip. ....................................................................... 51

3.9 Sustratos de bajas pérdidas y bajo costo. ................................................................ 52

3.10 Características de las antenas tipo parche. ........................................................... 52

3.11 Métodos de análisis. .................................................................................................. 53

3.12 Modelo de línea de transmisión. .............................................................................. 54

3.13 Diseño de la antena tipo parche. ............................................................................. 56

3.13 Simulación. .................................................................................................................. 59


V | Página

CAPÍTULO 4. CONSTRUCCIÓN, PRUEBAS Y COSTOS DE LA ANTENA PARA WIFI

EN LA BANDA DE 2.45 GHZ. ............................................................................................. 64

4.1 Construcción. ................................................................................................................ 65

4.2 Mediciones. .................................................................................................................... 66

4.3 Proyección de costos. .................................................................................................. 69

CONCLUSIONES. .................................................................................................................. 70

REFERENCIAS. ..................................................................................................................... 71


VI | Página

ÍNDICE DE TABLAS.

Tabla 1.1 Tabla comparativa de los estándares WiFi ………………….………………………….6 Tabla 1.2 Ejemplos de las tecnologías inalámbricas …………………….…………………………8 Tabla 1.3 Canales disponibles y frecuencias correspondientes ……….………………….........9

Tabla 1.4 Canales disponibles en determinadas regiones…………..…….……………………...10

Tabla 2.1 Banda de frecuencias en microondas y su denominación………....………………….21

Tabla 3.1 Ventajas y desventajas comúnmente conocidas de las antenas microstrip………...43

Tabla 4.1 Costos de diseño, simulación y construcción de la antena……………………….......69

ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 1.1 Clasificación de las tecnologías inalámbricas………………….....…………………………...…….8 Figura 1.2 Antena Rubber Duck……………………………………………………………………………….11 Figura 1.3 Antena Array………………………………………………………………………………………...12 Figura 1.4 Antena Yagi…………………………………………………………………………………………13 Figura 1.5 Antena de rejilla parabólica……………………………………………………………………..14 Figura 1.6 Antena de panel…………………………………………………………………………………….15 Figura 1.7 Antena de ranura…………………………………………………………………………………15 Figura 1.8 Antena de parche………………………………………………………………………………16 Figura 2.1 Antena de hilo o alambre…………………………………………………………………….........22 Figura 2.2 Antena de apertura de forma piramidal…..……………………………………………………...23 Figura 2.3 Antena de microcinta……………………………………………………………………………….24 Figura 2.4 Antena de reflexión (parabólica)…...................................................................... ………….. 25 Figura 2.5 Antena de lente (reflector parabólico)………………………………………………………........26 Figura 2.6 Patrón de radiación de una antena……………………………………………………...............27 Figura 2.7 Se muestran los tres patrones de radiación……………………………………………………..27 Figura 2.8 Lóbulos de un patrón de radiación………………………………………………………………..28 Figura 2.9 Región de campo lejano y campo cercano………………………………………………………29 Figura 2.10 Referencia de terminales y las pérdidas de una antena………………...……………..........31 Figura 2.11 Antena en modo de transmisión…………………………………………………………………35 Figura 2.12 Red de dos puertos……………………………………………………...…………………........38 Figura 3.1 Vistas desde arriba y lateral de una antena microstrip rectangular…………………………..44 Figura 3.2 Tipo de alimentación por sonda coaxial…………………………………………………..........47 Figura 3.3 Modos de alimentación por Microstrip ………………………………………………….......50 Figura 3.4 Formas de las antenas tipo parche…………………………………..………………………53 Figura 3.5 Diseño de la antena para WiFi en la banda de 2.45 GHz…………………………...............59 Figura 3.6 Diseño de la antena en el programa …..…………………………………………...............60 Figura 3.7 Patrón de radiación de la antena prototipo………………………………………………………60 Figura 3.8 Patrón de radiación de la antena convencional……………………………………………….61 Figura 3.9 Simulación del parámetro S11 de la antena prototipo…………………………………...…61 Figura 3.10 Simulación del parámetro S11 de la antena convencional……………………………...…62 Figura 3.11 Ganancia total de la antena prototipo en dB……………………………….……………..62 Figura 3.12 Ganancia total de la antena convencional en dB……………………………………………..63 Figura 4.1 Circuito impreso de la antena WLAN para 2.45 GHz…………………………………………65 Figura 4.2 Conector SMA hembra soldado en la placa FR4……………………………………………….66 Figura 4.3 Analizador vectorial de redes ………………………………………………………..............67 Figura 4.4 Frecuencias de resonancia de la antena para WiFi en la banda de 2.45 GHz…………….67 Figura 4.5 Prototipo de antena en la cámara anecoica ………….…………..………………………..68 Figura 4.6 Acercamiento del prototipo de la antena…………………………………………………….69 Figura 4.7 Patrón de radiación ……….…………………………………………………………………………69


VII | Página

ACRÓNIMOS

IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.

WiFi Fidelidad inalámbrica.

WLAN Red de área Local Inalámbrica.

HFSS Simulador de estructura de alta frecuencia.

FR4 Retardante de llama 4, sustrato de fibra de vidrio reforzado,

impregnados con una resina epoxica resistente a las llamas.

ADSL Línea de Abonado Digital Asimétrica.

TCP/IP Protocolo de control de conexión/Protocolo de internet.

GSM Sistema Global de Comunicaciones Móviles.

3G Tercera Generación.

Mbps Megabit por segundo.

Kbps Kilobit por segundo.

PC Computadora personal.

WECA Alianza de compatibilidad Ethernet inalámbrica.

GHz Gigahercio.

HR Alta velocidad.

MHz Megahercio.

Gbps Gigabit por segundo.

WPAN Red de área personal inalámbrica.

WMAN Redes inalámbricas de área metropolitana.

UWB Banda Ultra Ancha.

Zigbee Conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica.

http://www.abbreviationfinder.org/es/acronyms/hfss_high-frequency-structure-simulator.html


VIII | Página

WWAN Red de área amplia inalámbrica.

WiMAX Interoperabilidad mundial para acceso por microondas.

GPRS Servicio general de paquetes vía radio.

UMTS Sistema universal de telecomunicaciones móviles.

LMDS Sistema de Distribución Local Multipunto.

IrDA Asociación de Datos Infra-rojos.

Bluetooth Diente azul, es una especificación industrial para Redes

Inalámbricas de Área Personal.

ETSI Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones.

FCC Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos de

América.

λ Longitud de onda.

F Frecuencia.

L Onda larga.

S Onda corta.

C Compromiso entre S y X.

X Para sistemas de apuntamiento militar, la X provendría de la

retícula utilizada para Apuntar.

Ku Kurz-under (bajo).

K Del alemán Kurz (corto).

Ka Kurz-above (sobre).

Microstrip Microcinta.

MMIC Circuitos integrados de microondas monolíticos.

FNBW Ancho de haz entre los primeros nulos.

HPBW Ancho del haz de media potencia.

https://es.wikipedia.org/wiki/Ret%C3%ADculo_(pieza)

https://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_alem%C3%A1n


IX | Página

W Watts.

Prad Potencia total radiada.

Pin Potencia total de entrada.

G Ganancia.

Gabs Ganancia absoluta.

S Dispersión.

C Velocidad de la luz, 3x108 m/s.

MIC Circuitos integrados de microondas.

MSA Antena de microcinta.

PTFE Politetrafluoroetileno.

3D Tercera Dimensión.

PCB Plaqueta de circuito impreso.

SMA Sub Miniatura versión A, tipo de conector roscado para cable

coaxial utilizado en microondas.

https://es.wikipedia.org/wiki/Conector

https://es.wikipedia.org/wiki/Cable_coaxial

https://es.wikipedia.org/wiki/Cable_coaxial

https://es.wikipedia.org/wiki/Microondas


X | Página

PRÓLOGO

Como se sabe hoy en día la tecnología va avanzando a pasos muy acelerados, y

entonces cobra una gran relevancia por las grandes transformaciones que genera.

Ya bien lo dice la frase de Ikujiro Nonaka:

“En un mundo donde la única certeza es la incertidumbre, la única fuente segura de

ventaja competitiva es el conocimiento”.

Esta frase engloba al mundo de la informática, las redes y la conectividad, debido a que

siempre se necesita aprender cosas nuevas y detalladas de las que se tiene

conocimiento. El deseo de aprender y la curiosidad por conocer más realizan un papel

muy importante para avanzar.

El conocimiento es un gran potencial que en un mundo globalizado marca gran

diferencia para cualquier empresa competitiva, que día a día disputa por innovar en el

mercado. La importancia de este trabajo radica en el hecho de comunicar un gran

conocimiento a los usuarios y entusiastas de las redes y antenas, con el fin de

proporcionarles herramientas útiles y modernas en el momento de enfrentar diferentes

desafíos para poder tener ventajas competitivas que tanto deseas y requieren las

empresas.

Desde un principio del trabajo se tiene en cuenta los temas más relevantes

relacionados con las antenas y teoría de redes, incluyendo contenido útil y actualizado

referido a las redes inalámbricas, haciendo énfasis en los usuarios sin mucha

experiencia para su fácil comprensión y profundizando en unos conceptos importantes.

Gracias a este trabajo el lector podrá permitirse conocer más al respecto en área de

redes y las antenas con la finalidad de no sentir una lectura pesada si no dinámica y

fácil de digerir. Es nuestro propósito que el trabajo sirva para aquellas personas que

pretendan conocer más sobre estas áreas.


XI | Página

INTRODUCCIÓN

Hoy en día las telecomunicaciones han dado un cambio de dirección y desarrollo en los

últimos años, entregándonos velocidades de conexión y acceso a la información.

Sistemas basados en cable (fibra óptica o cable coaxial) que llegan hasta el usuario

para ofrecer el servicio a internet tienen un costo de instalación alto.

Con el tiempo se buscó una forma en las que la trasferencia de la información no

dependiera solo de un medio físico como el cable. Debido a esto se planteó y se

desarrollaron los estándares inalámbricos IEEE 802.11 (conocidos como WiFi), que

constituyen una alternativa a los medios convencionales con los que se accedía al

servicio.

Estas redes surgen debido a la necesidad del usuario de aumentar su movilidad sin

tener que hacer cambios de su red actual. Con esto se evita tener que hacer tendidos

de cables en casas o edificios, lo que indica un ahorro de tiempo y dinero para la

empresa que brinda tal servicio.

Este trabajo tiene como objetivo el diseño, simulación, construcción y medición de una

antena para su aplicación en WiFi en la banda de 2.45 GHz tipo parche con ranuras

tipo L.

El trabajo es principalmente relacionado con antenas de ahí la importancia y realce en

este tema y como sabemos las antenas se consideran componentes fundamentales en

una red inalámbrica. A través del trabajo podremos conocer la forma detallada de su

funcionamiento de cada una de las características básicas que necesitamos para

comprender como se transmite la información. Además, que podremos ver las diversas

clasificaciones que se agrupan las antenas y diferenciar sus características y de ahí

partir porque la importancia de elegir la antena de parche.

El desarrollo del trabajo implico un aspecto fundamental, el cual fue principalmente

lograr un lenguaje claro y sencillo, conceptos que parecen confusos o difíciles de

entender.

El proyecto se llevo a cabo de acuerdo a ciertas actividades organizadas y definidas en

intervalos de tiempo, las cuales formaron el cuerpo del proyecto a un ritmo adecuado y

congruente para poder entregar resultados concretos y precisos.

En el capitulo I se introduce la tecnologia WiFi, se explica su funcionamiento y sus

principales aplicaciones para el almacenamiento y control de datos de manera remota.


XII | Página

En el capitulo II se enfoca el proyecto hacia una descripción de los tipos de antenas y

los parámetros correspondientes para una WLAN.

En el capitulo III se propone el diseño para hacer la simulacion correspondiente,

además de que se selecciona el software de simulación que mas conviene para

nuestro fin.

En el capitulo IV en esta parte se construye la antena, se realizan las mediciones

correspondientes, con el objeto de comparar los resultados de la simulación con los

experimentales.

Ya realizado lo anterior planteamos las experiencias y conocimientos concretos

adquiridos durante el desarrollo del proyecto.


XIII | Página

OBJETIVO GENERAL

Diseño, simulación, construcción y mediciónes de una antena de microcinta tipo L en la

banda de 2.45 GHz para su aplicación en WiFi.

OBJETIVOS PARTICULARES

1- Analizar el estado del arte actual de las antena miniatura tipo parche para su

aplicación a 2.45 GHz.

2- Adquirir la habilidad para manipular el software para la simulación de una antena tipo

parche.

3- Diseñar una antena de tipo parche de forma rectangular ranurada del tipo L para su aplicación en la banda de 2.45 GHz, utilizando el simulador para la obtención de los parámetros más importantes de la antena.

4- Construccion y medición de la antena, la cual será probada en el Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética, por medio de un analizador vectorial de redes y en la cámara anecoica. .

CAPÍTULO 1

ESTADO DEL

ARTE DE LA

TECNOLOGÍA WIFI


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CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA

WIFI

1.1 Antecedentes. Las telecomunicaciones han tenido grandes avances en los últimos años gracias al desarrollo y evolución de las comunicaciones vía radio. WiFi es una de las tecnologías para comunicación inalámbrica mediante ondas electromagnéticas que más se utiliza actualmente, WiFi es el acrónimo para referirse a Wireless Fidelity que significa Fidelidad Inalámbrica por lo que WiFi es una red WLAN (Wireless Lan o Red Inalámbrica). Se les llama comunicaciones inalámbricas porque no requiere el uso de cables para poder interactuar y compartir información entre equipos informáticos, la tecnología inalámbrica está abarcando rápidamente a más usuarios, cada vez hay más teléfonos móviles que teléfonos convencionales con cable, cada vez son más los hogares, centros comerciales, aeropuertos, café internet, empresas que utilizan la tecnología inalámbrica WiFi. La principal aplicación de WiFi es que varios equipos puedan compartir el acceso a internet ya sea de ADSL (Línea de Abonado Digital Asimétrica) o cable e incluso poder compartir recursos entre ellos mediante la creación de una red entre estos equipos. Para que WiFi pueda funcionar de esta manera se necesita un equipo llamado Punto de Acceso (Acces Point), también se le conoce como router ADSL o cable, que básicamente es una pequeña base la cual gestiona las comunicaciones entre los equipos, la tecnología WiFi utiliza el protocolo TCP/IP (Protocolo de control de conexión/Protocolo de internet) que es el mismo que utilizan las redes locales e internet y es una ventaja porque será más sencillo interconectar una red WiFi con internet o una red local, los equipos informáticos necesitan de un adaptador de red el cual cuenta con transmisor, receptor y antena para que pueda existir comunicación vía radio con el punto de acceso, esto es lo que les permite a los equipos tener una comunicación inalámbrica estos adaptadores son para los equipos que no traen incorporado un adaptador de red, hoy en día la gran mayoría de equipos incorporan de fábrica los adaptadores de red. Una red WiFi puede estar constituida por 2 ordenadores como mínimo o por miles de estos, a los equipos que conforman una red inalámbrica también reciben el nombre de terminales, los puntos de acceso no necesitan estar conectados a un ordenador para que puedan funcionar porque funcionan de forma automática, a los puntos de acceso y a las terminales se le denomina con el nombre de estación, como estas estaciones utilizan la misma tecnología de comunicación es posible que se puedan comunicar entre si ya que tienen instalados los mismos protocolos además de utilizar la misma banda de frecuencias.


3 | Página

Uno de ellos es el protocolo TCP/IP, las siglas IP significan Protocolo de Internet (Internet Protocol) el cual se ocupa que entre las terminales exista el intercambio de información y el segundo son los protocolos WiFi el cual tiene como objetivo garantizar la comunicación inalámbrica entre las estaciones, WiFi no tiene problemas para establecer comunicación con terminales de otras redes porque las redes de cable e internet utilizan el protocolo TCP/IP para poder intercambiar información. Existen otras tecnologías inalámbricas a parte de la tecnología WiFi, la tecnología GSM por sus siglas, Global System for Mobile Communications o Sistema Global de Comunicaciones Móviles, también es una tecnología inalámbrica de las más utilizada, específicamente la tecnología GSM es aprovechada por los teléfonos móviles, estas tecnologías surgen para poder dar solución a problemas de comunicación inalámbrica o para satisfacer necesidades específicas, mientras que para los teléfonos móviles se requiere poder disponer de una cobertura global también existe otra tecnología inalámbrica que su objetivo es el de cubrir distancias pequeñas como lo es la tecnología Bluetooth, la cual está pensada para establecer conexión a menos de 10 metros, mientras que WiFi para realizar conexiones de algunos cientos de metros y las redes móviles para poder tener una cobertura global. A diferencia de WiFi la tecnología Bluetooth no está diseñada para soportar redes de computadoras pero si para establecer comunicación entre ordenadores y dispositivos periféricos como la conexión inalámbrica entre unos manos libre o auriculares y un teléfono móvil, una impresora con un ordenador, etc, la empresa sueca Ericsson fue la responsable de desarrollar la tecnología Bluetooth en 1994 con el fin de establecer un sistema de comunicación entre los teléfonos móviles y sus accesorios. El nombre Bluetooth hace honor al nombre del rey Harald Blaatlund II ya que Blaatlund significa blue tooth o diente azul, este rey hizo historia por unir las tribus suecas, danesas y noruegas, la comunicación Bluetooth se establece con el modelo maestro/esclavo, esto es que un dispositivo maestro puede establecer comunicación con 256 dispositivos esclavos pero solo puede comunicarse simultáneamente con 7 de estos dispositivos. La tecnología de tercera generación o 3G para teléfonos móviles permite una transmisión de datos a alta velocidad, con 3G los teléfonos móviles pretenden alcanzar velocidades del orden de Mbps mientras que con los teléfonos móviles tradicionales no sobrepasan de los 100 kbps también se está desarrollando la tecnología 4G la que permitirá tener una cobertura global. Para no confundir se hace la aclaración de que la tecnología GSM y Bluetooth son tecnologías inalámbricas diferentes que se enfocan en solucionar problemas específicos ya que estas no se pueden interconectar directamente entre sí, sin embargo son complementarias motivo por el que muchos equipos incluyen estas tecnologías en los equipos.


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La tecnología WIFI se ha popularizado en gran medida por su costo accesible para acceder a cierto ancho de banda, hay muchos usuarios que la utilizan es por eso que los precios son bajos al existir una mayor oferta, además es compatible con la gran mayoría de dispositivos construidos por distintos fabricantes que existen actualmente como las PC’s, tablets, enrutadores, teléfonos móviles, televisiones e incluso radios funcionan con esta tecnología, esto es gracias a que WiFi se apega al estándar 802.11, WiFi ya no es una tecnología desconocida. [2] Un objetivo importante de cualquier tecnología es que pueda ser fácil de entender y de poder diferenciar, esto es para que todos los usuarios que la utilicen principalmente los que no son expertos puedan utilizarla sin ningún problema y a su vez utilicen esta tecnología con dispositivos o equipos que soporten esta tecnología, para poder cumplir con este objetivo las principales empresas como Aironet, 3Com, Intersil, Symbol Technologies, Nokia y Lucent Technologies las cuales ofrecen soluciones inalámbricas crearon una asociación en el año de 1999 llama WECA (Wireless Ethernet Alliance Compatibility o Alianza de compatibilidad Ethernet inalámbrica) con el fin de diferenciar la tecnología WiFi y hacerla más comprensible. Gracias a esto, en Abril del año 2000 WECA pudo certificar la interoperabilidad de equipos según la norma de la IEEE 802.11b bajo la marca de Wi-Fi (Wireless Fidelity o Fidelidad Inalámbrica) lo que garantiza a los usuarios que todos los equipos que tengan el sello de Wi-Fi puedan funcionar sin problemas de compatibilidad sin importar que hayan sido construidos por diferentes fabricantes, para esto solamente tendrá que a pegarse a los estándares ya establecidos, los encargados de regular estos estándares son los organismos de normalización aunque hay muchos organismos en el mundo, uno de los más importante para Wi-Fi es la IEEE (Intitute of Electrical and Electronics Engineers o Instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos), en la página web de la IEEE se pueden encontrar los documentos técnicos de todas las normas que este organismo ha publicado. Sin embargo la tecnología de comunicación inalámbrica se ha ido desarrollando dando soluciones para poder aumentar las velocidades de transmisión y poder transmitir arria de los 11 Mbps, se ha desarrollado tanto que se ha especulado que se pueda alcanzar una máxima velocidad de 540 Mbps teóricamente, estos nuevos avances o soluciones están establecidos en su propia norma IEEE las cuales se describen a continuación [2].


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1.2 Estándares de WLAN.

IEEE 802.11a

Esta norma como el caso de la 802.11b también fue publicada en Septiembre de 1999 pero la principal diferencia entre estas dos es que su capa física puede trabajar en la banda de frecuencias de los 5GHz en vez de los 2.4 GHz y su principal ventaja es que se obtienen velocidades de transmisión de datos de 54 Mbps como máximo pudiendo llegar a alcanzar velocidades de 72 y 108 Mbps con versiones propietarias como la de Netgear, por el hecho de trabajar en una banda de frecuencia diferente las antenas utilizadas en 802.11b serán incompatibles con las antenas de 802.11a.

IEEE 802.11b

Esta norma fue publica en Septiembre de 1999 y es la norma original de comunicación inalámbrica que solamente permite transmisión de datos a una velocidad máxima de hasta 11 Mbps y utiliza la banda de frecuencias de 2.4 GHz, esta norma también ha sido conocida en sus inicios como la norma 802.11b HR (High Rate o Alta velocidad) esta denominación se entiende por el año y tomando en cuenta que fue la norma original.

IEEE 802.11g

Esta norma fue ratificada en Junio del 2003 y es la mejora de la norma 802.11b surge con el propósito de poder aumentar la velocidad de transmisión de datos pero sin dejar de lado las ventajas que ofrece la banda de frecuencias de los 2.4 GHz por lo que se logró aumentar la velocidad hasta los 54 Mbps pero existen versiones propietarias que pueden llegar a alcanzar velocidades de 100 Mbps como la de US Robotics.

IEEE 802.11n

Esta norma fue establecida en Septiembre del año 2007, se trata de un nuevo objetivo para poder alcanzar velocidades cada vez más altas y también mayor cobertura de radio con este nuevo avance se habla de alcanzar velocidades de 300 Mbps y mucho mayor alcance que con las anteriores normas, específicamente un alcance en interiores de 50 metros y de 150 metros en exteriores, otra ventaja muy importante que ofrece 802.11n es que hay compatibilidad con los estándares a, b y g ya mencionados anteriormente, pero otra característica externa sobresaliente es que 802.11n incorpora varias antenas para poder lograr utilizar varios canales simultáneamente, aunque este estándar que fue aprobado en el año 2009 definiendo para este una máxima velocidad de 300 Mbps.


6 | Página

En los borradores anteriores a esta norma se hablaban de velocidades de transmisión de datos de hasta 600 Mbps por lo que se espera que el desarrollo de las comunicaciones inalámbricas continúe. A pesar de que existen diferentes normas sobre Wi-Fi, uno podría pensar que hay incompatibilidad entre estas, pero en la práctica real todos los equipos incorporan al menos las norma 802.11b lo que le permite que todos los terminales puedan interconectarse con velocidades de transmisión de datos de por lo menos 11 Mbps, en otro caso será necesario que ambos terminales dispongan del mismo estándar para que estos se puedan interconectar a velocidades mayores, en otras palabras si dos equipos incorporan el estándar 802.11g se podrán interconectar a una velocidad de 54 Mbps, pero en caso de que uno sea del estándar 802.11 a y otro del 802.11g solo podrán interconectarse a una velocidad de 11 Mbps gracias a que ambos tienen incorporado el estándar 802.11b, estos estándares se muestran en la tabla 1.1 para la banda de 2.4 Ghz y 5 Ghz [2].

Tabla 1.1 Tabla comparativa de los estándares WiFi.

Banda de 2.4 GHz.

Tecnología. Frecuencia. Ancho de Banda.

802.11 b 2.4 GHz. 11 Mbps.

802.11 g 2.4 GHz. 54 Mbps.

802.11 n 2.4 GHz. 144 & 300 Mbps.

Banda de 5 GHz.

Tecnología. Frecuencia. Ancho de Banda.

802.11 n 2.4 GHz. 144Mbps.

802.11 n 2.4 GHz. 300 Mbps.

802.11 n 5 GHz. 600 Mbps.

802.11 ac 5 GHz. 1 Gbps.


7 | Página

1.3 Tipos de redes inalámbricas.

Las diferentes tecnologías sin hilos (Wireless) generalmente se basan en su radio de

alcance de cada una de ellas.

Red Inalámbrica de Área Personal (WPAN, Wireless Personal Area Network). El concepto se aplica cuando la distancia que se requiere cubrir es de pocos metros. La familia de estándares más representativo son el:

802.15.1 (Bluetooth), 802.15.3a (UWB) y el 802.15.4 (Zigbee).

Redes Inalámbrica de Área Local (WLAN, Wireless Local Area Network). Permiten dar servicios a distancias de centenar de metros (un piso, una planta de un edificio, unas calles, etc.). El estándar más destacado y conocido en este campo es el:

802.11 (WiFi).

Red Inalámbrica de Área Metropolitana (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network). Dan servicio a distancias de unos cuantos kilómetros (una vecindad, un pueblo, ciudad, etc). El estándar más destacado en este campo es el:

802.16 (WiMAX).

Redes de gran alcance (WWAN, wireless wide area network). Tienen una

cobertura más amplia que se extiende a gran franja de territorio, ya sea a

través un país, continente o incluso a nivel mundial. La familia de estándares

más representativos son:

GSM,

GPRS y

UMTS.


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En la figura 1.1 Se muestra la clasificación de las diferentes tecnologías inalámbricas así como su rango de alcance [6].

Figura 1.1

Fig 1.1 Clasificación de las tecnologías inalámbricas.

En la tabla 1.2 se muestra ejemplos correspondientes a las tecnologías inalámbricas de

acuerdo a su área geográfica que ocupa.

Tabla 1.2 Ejemplos de las tecnologías inalámbricas [6].

WPAN

Hasta 10m.

WLAN

Edificio, Campus.

WMAN

Ciudad.

WWAN

País, Continente.

Bluetooth. WiFi. LMDS. 2.5 G.

802.15 Home RF. MMDS. 3 G.

IrDA. HiperLAN. WiMAX. 4 G.

WPAN

WLAN

WMAN

WWAN

100 m 10 m 10 km 35 km


9 | Página

1.4 Frecuencias para los canales de la banda de 2.4 GHz WiFi.

En la tabla 1.3 se proporciona las frecuencias para un total de catorce canales,

802.11 Wi-Fi que están disponibles en todo el mundo. Sin embargo no todos estos

canales están disponibles para su uso en todos los países.

Tabla 1.3 Canales disponibles y frecuencias correspondientes.

NUMERO DE

CANAL.

FRECUENCIA

MAS BAJA

MHZ

FRECUENCIA

CENTRAL

MHZ

ALTA

FRECUENCIA

MHZ

1 2401 2412 2423

2 2404 2417 2428

3 2411 2422 2433

4 2416 2427 2438

5 2421 2432 2443

6 2426 2437 2448

7 2431 2442 2453

8 2436 2447 2458

9 2441 2452 2463

10 2451 2457 2468

11 2451 2462 2473

12 2456 2467 2478

13 2461 2472 2483

14 2473 2484 2495


10 | Página

1.5 Banda de 2.4 GHz WLAN / disponibilidad de canales WiFi. Debido a las diferencias en las asignaciones del espectro en todo el mundo y diferentes requisitos de las autoridades reguladoras, no todos los canales WLAN están disponibles en todos los países. La tabla 1.4 proporciona la disponibilidad de los distintos canales para la banda de 2.4 GHz de WiFi en diferentes partes del mundo.

Tabla 1.4 Canales disponibles en determinadas regiones.

NUMERO DE CANAL EUROPA (ETSI)

NORTEAMÉRICA (FCC)

JAPÓN

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 No

13 No

14 No No 802.11b

Esta tabla sólo proporciona una visión general, y puede haber variaciones entre los distintos países. Por ejemplo, algunos países de la zona europea España tienen restricciones en los canales que se pueden utilizar (Francia:canales 10 - 13 y España los canales 10 y 11) el uso de la tecnología Wi-Fi y no permiten que muchos de los canales puedan ser considerados para estar disponibles, aunque la posición es probable que cambie. Los canales mas usados en México son el 1,6 y 11.


11 | Página

1.6 Principales tipos de antenas para WiFi. Los diferentes tipos principales de antenas para WiFi en su diferente forma de propagación, omnidireccional y direccional.

Antenas omnidireccionales. Proporcionan un 360º en forma de diagrama de

radiación para proporcionar la más amplia posible cobertura de la señal en aplicaciones inalámbricas de interior y exterior. Antena Rubber Duck.

La antena Rubber Duck (patito de goma) es una antena de un cuarto de onda mono

polo corto la cual se compone por un alambre elástico estrecho en forma de hélice

como un resorte que funciona como el inductor está forrado de caucho o plástico, su

patrón de radiación es omnidireccional.

Generalmente son implementadas en equipos de radio portátil para frecuencias VHF

y UHF.

Fig. 1.2 Antena Rubber Duck.

Antena Array.

Es una antena que esta formada por un varios radiadores eléctricos ordenados y

alimentados para obtener un diagrama de radiación predefinido. Hay diferentes tipos

de arrays (lineales, planos y conformados) tienen la ventaja de que se pueden

controlar las amplitudes de las corrientes y la fase de cada elemento, modificando la

forma de diagrama de radiación. También se puede conseguir que los parámetros de

antena dependan de la señal recibida a través de los circuitos asociados a los

elementos radiantes.


12 | Página

Fig. 1.3 Antena Array.

Las antenas direccionales. Como su nombre lo indica, la señal inalámbrica se

centra en una dirección específica que resulta en un área de cobertura limitada.

Antenas Yagi.

La antena Yagi es una antena direccional, la cual consta de una estructura simple

de dipolo, combinada con elementos parásitos conocidos como reflector y directores,

esto produjo que se pudiera construir una antena de muy alto rendimiento. Los

elementos parásitos son aquellos que no son activos, no se conectan a la línea de

transmisión y reciben la energía a través de la inducción mutua, aunque se

componen de un arreglo de elementos independientes de antena, solamente uno de

ellos transmite las ondas de radio.

El número de elementos (específicamente, el número de elementos directores)

determina la ganancia y directividad. Las antenas Yagi no son tan direccionales

como las antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.

La ineficiencia de las antenas omnidireccionales pronto dio lugar a la utilización de

antenas direccionales.

Las antenas direccionales intentan controlar la dispersión de la energía por

radiación de un sector de al menos 120° en un sistema de antenas sectorizadas, es


13 | Página

decir de 360° de la celda se divide en tres sectores de 120° con cada sector tratado

como una celda individual.

Esto provee mayor alcance utilizando la misma cantidad de potencia de

transmisión usada en una antena omnidireccional, la señal transmitida puede

viajar más lejos en el sector, aumentar la eficiencia espectral y la capacidad

del usuario. Desafortunadamente, la potencia radiada en otras direcciones

distintas a la de usuarios previstos todavía se refleja como interferencia en otros

usuarios

En la siguiente imagen se muestra los diferentes elementos que forman esta antena:

1. Un conductor que actúa como radiador.

2. Un elemento que actúa como captador.

Fig. 1.4 Antena Yagi.

Antena de rejilla parabólica.

El diseño de esta antena es apropiado para todas las condiciones climáticas,

aplicable en la mayoría de las soluciones al aire libre, ideal para la extraordinaria

relación de larga distancia direccional exterior ya que su diseño de rejilla abierta

minimiza la carga de viento.

Esta antena cuenta con alta ganancia mayor de 20dBi, larga cobertura, peso ligero,

estructura compacta y excelente resistencia al viento. Se utiliza para los exteriores y

el rango es de hasta 56 km.


14 | Página

La manufactura de esta antena de rejilla de 24 dBi cuenta con rejilla reflectora de

aluminio extruido a prueba de óxido, bajo peso y máxima fuerza.

Sus aplicaciones incluyen sistemas punto a punto, punto a multipunto y bridges

inalámbricos en la banda ISM de 2.4 GHz, así como sistemas de LAN inalámbrica

IEEE 802.11 b/g & n. Puede ser instalada en polarización vertical u horizontal.

Fig. 1.5 Antena de rejilla parabólica.

Antena de panel.

Las antenas de panel como su nombre lo dice son un panel con forma cuadrada o

rectangular. Son muy direccionales ya que la mayoría de su potencia radiada es una

sola dirección ya sea en el plano horizontal o vertical. Las antenas de panel pueden

ser fabricadas en diferentes valores de ganancia de acuerdo a su construcción. Esto

puede proveer excelente directividad y considerable ganancia.

Sus bandas de operación son 2.4 GHz y 5GHz, compatible con aplicaciones IEEE

802.11 b/g y n. Su ganancia es superior de los 20 dBi.


15 | Página

Fig. 1.6 Antena de panel.

Antena de Ranura.

Las antenas de Ranura cuentan con características de radiación muy similar a las de

los dipolos, pero su construcción consiste de una ranura estrecha en un plano. Las

antenas de ranura proveen media ganancia. Su más atractiva característica es la

facilidad de construcción e integración en diseños existentes, así como su bajo costo.

Estos factores compensan su desempeño.

Son utilizadas normalmente en las frecuencias entre 300 MHz y 24 GHz. Estas

antenas son muy populares debido a que pueden cortar en cualquier superficie que

van a ser instalados. El tamaño de la ranura, forma y lo que está detrás de ella (la

cavidad) variables ofrecen un diseño que se puede utilizar para ajustar el

rendimiento.

Fig. 1.7 Antena de ranura.


16 | Página

Antenas de parche.

Las antenas de parche pueden imitar cualquiera de los diferentes tipos de antenas

mencionados. Ofrecen varios detalles que deben ser considerados. Debido a que

son manufacturadas con pistas en circuito impreso, pueden ser muy pequeñas y

ligeras. Están hechas para rangos de frecuencia específicas.

En muchos casos, esta limitación de frecuencia de operación puede ser benéfica

para el desempeño del radio. Las antenas de parche son cada vez más útiles porque

se pueden imprimir directamente sobre una placa de circuito. Son cada vez más

generalizada en el mercado de la telefonía móvil. Son de bajo costo, tienen un perfil

bajo y son fácil de fabricar.

Fig. 1.8 Antena de parche.


17 | Página

Tabla 1.5 Tabla comparativa de los tipos de antenas.

Tipo Teoría Ventajas Desventajas

Las antenas externas.

Monopolo (Látigo) λ/4 de antena, sin

carga

Excelente ganancia y

ROE/S11, fácil de

fabricar.

Bajo rendimiento, el

látigo no se puede

hacer fácilmente en

multibanda.

Helice λ/8 → λ/4

inductivamente

monopolo cargado.

Tamaño corto,

razonable eficiencia,

buen ancho de

banda, fácil de

fabricar.

Alto SAR: (hélice >

Látigo>PIFA), diseño

limitado.

Latigo + Helice Retraída: λ/4

Extendido: λ/2

Ventajas de látigo

en posición

extendida; ventajas

de hélice en

posición retraída.

Mismas desventajas

que la antenna

hélix, látigo no

puede ser

fácilmente

convertida en

multibanda.

Las antenas internas.

Ranurada λ/2 antena de

ranura, usos

dieléctrico para

disminuir el volume.

Muy bajo SAR, no es

sensible a las

perturbaciones

externas (por vía

intranasal dedos).

Bajo costo y facil de

contruir.

Tamaño grande (60

× 50 × 10 mm),

-Una sola banda y

doble banda.


18 | Página

Las antenas de

ceramic.

λ/4 antena

meandros

incrustado en

cerámica con

ε = 10 → 30

Pequeña, fácil de

montaje en

superficie.

Baja ganancia en la

posición de

conversación, ancho

de banda muy

estrecha, pesada.

PIFA (planar

invertida-F de la

antena).

λ/4 microcinta en

cortocircuito. Pico

de corriente cerca

del corto.

Más libertad de

diseño, control de

corriente pico, bajo

SAR y multibanda.

Baja ganancia y

ancho de banda en

comparación con

externo antenas,

más producción

desafíos con dos

contactos a PCB.

PMA (planar antena

monopolo)

λ/4 → λ/2

microcinta antena

sin tierra / PCB

debajo de la antena

de parche.

Libertad de diseño,

el control de

corriente pico y

multibanda.

Alta SAR en las

regiones cercanas a

la antenna.


19 | Página

CAPÍTULO 2

PARÁMETROS

DE ANTENAS


20 | Página

CAPÍTULO 2. PARÁMETROS DE ANTENAS

2.1 Antecedentes. El físico ruso Aleksandr Stepánovich Popov, fue un ingeniero ruso que se interesó

por el estudio de la electricidad y fue el primero en usar un cable suspendido como

antena. En Rusia se le conoce como el inventor de la telegrafía sin cable.

En 1890 siguió con los experimentos de Hertz y en 1894 pudo construir un receptor

de radio con la capacidad de captar ondas hertzianas, el 7 de Mayo de 1895 lo

presentó ante la Sociedad Rusa de Física y Química y en ese mismo año logro

transmitir señales de radio entre un barco y tierra firme a una distancia de 5 Km,

Popov encontró el mejor método para poder transmitir y recibir las ondas Hertzianas

añadiendo al receptor un hilo metálico desplegado hacia arriba con lo que Popov fue

el primero en implementar la primer antena, es por eso que los rusos lo reconocen

como el verdadero inventor de la radio antes que a Marconi.

El concepto de campo es muy importante a la hora de estudiar los fenómenos de radiación y propagación de las ondas, la medición de un campo se realiza observando las fuerzas ejercidas sobre las cargas y corrientes de prueba suministradas, las ecuaciones de Maxwell relacionan el campo magnético y eléctrico con las cargas y corrientes que los crean, para el caso variable en el tiempo la solución general de las ecuaciones es en forma de ondas, ya sea que estén libres en el espacio como aquellas que son radiadas por las antenas o aquellas que estén ligadas a una estructura como una guía de ondas o una línea de transmisión.

“El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define una antena como aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas (IEEE Std. 145-1983).” [4] Aunque existen diferentes tipos de antenas todas ellas tienen la particularidad de tener en común una parte donde se hace la conversión para pasar de una onda electromagnética guiada a tener una onda en el espacio libre a la cual se le puede agregar un carácter direccional, por esta razón una antena es considerada como un transductor, una onda guiada puede ser representa por medio de corrientes y voltajes (líneas de transmisión e hilos conductores) o por medio de campos (guías de ondas) en el espacio libre. El objetivo de toda antena es la de radiar la potencia que se le suministra junto con las características de direccionalidad que deberán de adecuarse dependiendo de la aplicación para la que se vayan a utilizar, como en el caso de que se empleen en radiocomunicaciones fijas es conveniente que las antenas sean direccionales mientras que para comunicaciones móviles o radiodifusión lo que se necesita es radiar en un área de cobertura especifica donde la radiación sea de forma

http://www.ecured.cu/Rusia

http://www.ecured.cu/Qu%C3%ADmica


21 | Página

omnidireccional, dependiendo de la aplicación se exigirán diferentes requisitos para poder concentrar la energía sobre una zona determinada del espació. Para completar el proceso de comunicación, en algún lugar del espació se debe de ser capaz de captar la onda radiada para poder extraer la información absorbiendo la energía de esa onda al llegar al receptor, todas las ondas electromagnéticas tienen la característica principal de poseer una longitud de onda (λ) y una frecuencia (f) y estas a su vez encuentran relación con la velocidad de propagación en el medio que para el caso de las antenas se consideran las propiedades del vacío . El espectro de frecuencias que son el conjunto de todas las frecuencias, poseen diversas características por lo que se dividen por décadas en bandas con lo que reciben diferentes denominaciones, el organismo encargado de la normalización asignan específicamente una porción del espectro para cada aplicación, este conjunto de frecuencias permiten dar origen a diferentes topologías de antenas [4]. Las subdivisiones de frecuencias que actualmente se utilizan ampliamente son las frecuencias de microondas, como se ilustran en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Banda de frecuencias en microondas y su denominación.

Banda Frecuencia (f) Longitud de onda (λ)

L

S

C

X

1-2 GHz

2-4 GHz

4-8 GHz

8-12,4 GHz

30-15 cm

15-7,5 cm

7,5-3,75 cm

3,75-2,42 cm

Ku

K

Ka

Mm

12,4-18 GHz

18-26,5 GHz

26,5-40 GHz

40-300 GHz

2,42-1,66 cm

1,66-1,11 cm

11,1-7,5 mm

7,5-1 mm


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Las antenas se utilizan para altas frecuencia y para transmitir y recibir información a largas distancias, son un medio práctico y eficiente que en muchas ocasiones puede ser la única forma de poder transmitir información a grandes distancias, gracias a los avances tecnológicos e innovaciones en las comunicaciones inalámbricas se han desarrollado circuitos prácticos sin la necesidad de utilizar cables, dependiendo de la aplicación para la que se utilicen las antenas, se consideraran ciertas condiciones particulares respecto a los niveles de potencia que debe soportar, la direccionalidad de la antena, frecuencia de trabajo y otros parámetros que se definirán más adelante. Esta variedad de situaciones dan origen a un gran número de tipos de antenas, cada una con características específicas y particulares dependiendo de la aplicación para la que se requieran utilizar.

2.2 Tipos de antenas. Los diferentes propósitos y aplicaciones en los que se utilizan las antenas, así como cada banda de frecuencias existentes, representan características particulares que dan origen a diferentes tipologías de antenas, los tipos más comunes de antenas son:

Antenas de hilo o alambre.

Las antenas de hilo son las más comunes que existen, este tipo de antenas las podemos encontrar prácticamente en todas partes ya sea en los automóviles, aviones, edificios, naves espaciales, barcos, y así sucesivamente, existen diferentes formas de antenas de hilo, tales como un alambre recto (dipolo), hélice de lazo, las antenas de lazo no solamente pueden ser circular, también pueden adoptar la forma de un cuadrado, rectángulo, una elipse o cualquier otro tipo de configuración, las antenas de hilo de lazo circular son las más comunes debido a su simplicidad en la construcción. En la figura 2.1 se ejemplifica la estructura de este tipo de antena.

Fig 2.1 Antena de hilo o alambre.


23 | Página

Antenas de apertura. Las antenas de apertura hoy en día pueden ser más familiares para las personas que en el pasado debido a la creciente demanda de formas más sofisticadas de las antenas y la utilización de frecuencias más altas, las antenas de apertura son muy útiles para aplicaciones en naves espaciales y aeronaves ya que pueden ser muy fácilmente empotradas en el exterior de la nave espacial o aeronave, además de que pueden ser cubiertas con un material dieléctrico para protegerlos de condiciones peligrosas del medio ambiente. En la figura 2.2 se muestra como es la estructura de este tipo de antena.

Fig 2.2 Antena de apertura de forma piramidal.

Antenas de Microstrip (microcinta). Las antenas de Microstrip se hicieron muy populares en la década de 1970, principalmente para aplicaciones espaciales, hoy en día estas antenas se utiliza para aplicaciones comerciales y gubernamentales, estas antenas constan de un parche metálico sobre un sustrato conectado a tierra, el parche metálico puede tener diferentes configuraciones, sin embargo los parches circular y la rectangular son los más populares debido a la facilidad de análisis y fabricación así como sus características de radiación atractivas, especialmente bajo radiación de polarización cruzada, las antenas de Microstrip son de perfil bajo y se pueden instalar en superficies planas y no planas además de que simples de fabricar utilizando tecnología de circuito impreso moderno y poco costosas, cuando se monta en las superficies rígidas es mecánicamente robusta, es compatible con diseños MMIC y muy versátil en cuanto a la frecuencia de resonancia, el patrón, la impedancia y la polarización, este tipo de antenas pueden montarse sobre la superficie de naves espaciales, aeronaves de alto rendimiento, misiles, satélites, teléfonos móviles y automóviles. En la figura 2.3 se muestra como es la estructura de este tipo de antena.


24 | Página

Fig 2.3 Antena de microcinta.

Antenas de reflexión. El éxito en la exploración del espacio exterior se ha traducido en el avance de la teoría de antenas, debido a la necesidad de comunicarse a través de grandes distancias, tuvieron que ser utilizadas formas de antenas sofisticadas con el fin de transmitir y recibir señales que tenían que viajar millones de millas, una forma muy común de la antena para una aplicación de este tipo es una antena parabólica reflector, este tipo de antenas han sido construidos con diámetros tan grandes de alrededor de 305 m, se necesitan grandes dimensiones para poder lograr obtener la ganancia requerida para transmitir o recibir señales después de haber viajado millones de millas, otra forma de un reflector que no es tan común como lo es el parabólico es el reflector de esquina. En la figura 2.4 se muestra a manera de ejemplo, la estructura de este tipo de antena.


25 | Página

Fig 2.4 Antena de reflexión (parabólica).

Antenas de lentes. Las antenas de lentes se utilizan principalmente para concentrar la energía incidente divergente para evitar que se disperse en direcciones no deseadas, por la conformación correctamente la configuración geométrica y la elección del material apropiado de las lentes, que puede transformar varias formas divergente de la energía en ondas planas, se pueden utilizar en la mayoría de las mismas aplicaciones como son los reflectores parabólicos, especialmente a frecuencias más altas, sus dimensiones y el peso se vuelven excesivamente grandes a frecuencias más bajas, las antenas de lentes se clasifican de acuerdo a el material con el que están construidas o de acuerdo con su forma geométrica, en la figura 2.5 se ejemplifica la estructura de este tipo de antena.


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Fig 2.5 Antena de lente (reflector parabólico). Una antena ideal es aquella en la que se irradia toda la potencia entregada a ella desde la emisora en que se desea transmitir a ciertas direcciones. Varias de estas antenas están disponibles y cada tipo puede tomar diferentes formas con el fin de lograr las características de radiación deseadas ara cierta aplicación en articular [5].

2.3 Parámetros de una antena. Toda antena tiene propiedades distintas que las caracterizan a cada una, a estas

características se les conoce como parámetros de las antenas y estos parámetros

permiten especificar el comportamiento de las mismas y por lo tanto son susceptibles

a ser medidos. En este capítulo se mostraran los parámetros principales para

determinar el comportamiento de una antena.

Patrón de radiación.

El patrón de radiación se define como una representación gráfica de las propiedades

de radiación de la antena. En la mayoría de los casos se especifica para el campo

lejano y se puede llevar acabo en dos o tres dimensiones. Cuando hablamos de un

patrón de radiación de tres dimensiones existen dos planos sobre los cuales se

grafican los puntos correspondientes a la energía radiada de la antena: plano


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azimutal y el plano de elevación. El plano azimutal está en función del ángulo ϕ (f(ϕ))

y puede verse como un plano horizontal, el plano de elevación es aquel que está en

función del ángulo θ (g(θ)) y puede observarse como un ángulo vertical.

Fig. 2.6 Patrón de radiación de una antena.

Se presentan 3 casas de radiación en las antenas los cuales se definen como patrón

isotrópico (en el cual una antena hipotéticamente sin perdidas irradia la misma

energía en todas las direcciones), patrón direccional (la energía puede depender de

la dirección angular en el plano azimutal (f(ϕ)), en el plano de elevación θ (g(θ)) o en

ambos) por ultimo tenemos el patrón omnidireccional (presenta un patrón no

direccional en un plano y un patrón direccional en otro.

Fig. 2.7 Se muestran los tres patrones de radiación.


28 | Página

Lóbulos de radiación.

En todo patrón de radiación de una antena podemos observar sus lóbulos de

radiación a los cuales los vamos a definir como “porción del diagrama de radiación

rodeada por regiones de baja intensidad de radiación”. Dichos lóbulos se pueden

clasificar en: lóbulos principales (main lobes) y lóbulos menores (minor lobes) y

dependiendo de la posición donde se presenten se llaman laterales (side lobes) o

posteriores (back lobes).

Fig. 2.8 Lóbulos de un patrón de radiación.

Regiones de campo.

En cualquier antena la potencia de radiada está dada por una parte real y una

imaginaria. A la parte real se le llama potencia radiactiva y esta potencia puede ser

trasladada a un medio para ser utilizada. La potencia reactiva es la parte imaginaria

de la potencia que se radia pero esta no puede ser transfiera a los medios y solo

permanece oscilando entre los campos.

Al espacio que rodea una antena lo podemos dividir en tres regiones:

a) Región de campo cercano reactivo: Es aquella parte de la región de campo

cercano ubicada inmediatamente a la antena y en la cual la potencia radiada

en su mayoría es reactiva. En la mayoría de las antenas esta región está

definida por:


29 | Página

(2.1)

Dónde:

R, Región alrededor de la antena

D, Dimensión mayor de la antena

, Longitud de onda

Para antenas pequeñas tomaremos a:

(2.2)

b) Región de campo cercano radiante o región de Fresnel: Región donde la

potencia reactiva es prácticamente igual a la potencia radiactiva.

c) Región de campo lejano o región de Fraunhofer : Es aquella región en la cual

la potencia radiada en su mayoría es radiactiva y esta región se extiende en el

rango

⁄ (2.4) para antenas pequeñas el rango es:

⁄ (2.3)

La figura 2.4 nos muestra una forma esquemática de como se observa el

campo cercano, campo lejano y la región de radiación.

Fig. 2.9 Región de campo lejano y campo cercano.


30 | Página

Densidad de potencia radiada.

Utilizando el vector de poynting podemos definir la potencia de cualquier onda

electromagnética ya que este apunta hacia la dirección de propagación de la

onda. Para determinar la potencia en un área se debe realizar la integral cerrada

del vector de poynting mostrada a continuación [5]:

∯ ∯

(2.4)

Dónde:

P, Potencia instantánea en W.

W, Vector de poynting puntual.

Ň, Vector unitario normal a la superficie.

Da, Área infinitesimal de la superficie cerrada en

La densidad de potencia promedio quedara expresada como:

Wav(x,y,z)=w(x,y,z)av=

[ ] (2.5)

Entonces podemos determinar la potencia radiada promedio de una antena

integrando el área deseada:

Prad=Pav∯ wrad ∯ wav

∯ [ ]

(2.6)

Eficiencia de la antena.

Es asociado con una antena con una serie de eficiencias y se puede definir usando

la figura 2.10. La eficiencia total de la antena e0 es utilizada para tener en cuenta las

pérdidas en las terminales de entrada y dentro de la estructura de la antena. Estas

pérdidas pueden deberse, a lo visto en la imagen (b) [5].

1. Reflexiones debido a la falta de correspondencia entre la línea de transmisión y la

antena.

2. I2 R pérdidas (conducción y dieléctricos).


31 | Página

Antena.

a) Antena de referencias de entrada.

b) Reflexión, conducción y pérdidas dieléctricas.

Fig. 2.10 Referencia de terminales y las pérdidas de una antena.

De forma general, la eficiencia se puede escribir como:

e0 = er ec ed (2.7)

Dónde:

e0 , Rendimiento total (sin dimensiones).

er , Reflexión (desfase) Eficiencia = ( |1 - | 2) (sin dimensiones).

ec , Eficiencia de la conducción (sin dimensiones).

ed , Rendimiento dieléctrico (sin dimensiones).

Г , Coeficiente de reflexión de tensión en los terminales de entrada de la antena.

Terminales

de entrada.

Terminales

de salida.


32 | Página

Directividad.

En el año de 1983 la versión de las definiciones estándar de la IEEE en términos de

Antenas, tuvo un cambio sustancial en la definición de directividad, en comparación

con la definición de la versión 1973. La directividad en 1983, la versión ha sido

utilizado para reemplazar el término ganancia directiva de la antigua versión de 1973.

En 1983 la versión ganancia directiva término, está en desuso.

Por lo tanto directividad de una antena se define como la relación de la intensidad de

la radiación en una dirección dada de la antena a la intensidad de la radiación media

de todas las direcciones. La intensidad media de radiación es igual a la potencia total

radiada por la antena dividida por 4π. Si las direcciones no se especifican, la

dirección de la máxima intensidad de radiación se da a entender. Aunque en unos

libros se dice que es la capacidad de la antena para recibir señales en ciertas

direcciones y sentidos determinados, es una característica que nos indica el ángulo

en que una antena puede recibir [10].

Dicho lo anterior, la directividad de una fuente no isotrópica es igual a la relación de

su radiación intensidad en una dirección dada sobre la de una fuente isotrópica. En

forma matemática, se puede escribir como:

(2.8)

Si no se especifica la dirección, que implica la dirección de la máxima intensidad de

radiación (Directividad máxima) expresado como:

(2.9)

D , Directividad (sin dimensiones).

D0 , Directividad máxima (sin dimensiones).

T , Intensidad de la radiación (W /unidad de ángulo sólido).

Umax , Máxima intensidad de radiación (W / unidad de ángulo sólido).

U0 , Intensidad de la radiación de la fuente isotrópica (W /unidad de ángulo sólido).

Prad , Potencia radiada total (W).


33 | Página

Para una fuente de anisotrópico, es muy evidente a partir de las ecuaciones

anteriores la directividad es la unidad desde U, Umax, y U0 son todos iguales entre

sí.

Para antenas con componentes de polarización ortogonales, definimos la directividad

parcial de una antena como una polarización dada en una dirección, la parte de la

intensidad de radiación que corresponde a una polarización dada dividida por la

radiación total la intensidad media de todas las direcciones. En una dirección dada la

directividad total es la suma de las directividad es parciales para cualquiera de las

dos polarizaciones ortogonales. Para un sistema de coordenadas esféricas, la

directividad máxima total D0 para los componentes ortogonales θ y φ de una

antena puede ser escrito como:

O= Dϴ + DФ (2.10)

Mientras que las directividades parciales Dθ y Dφ se expresan como:

Dϴ

(2.11)

DФ

(2.12)

Uθ , Radiación en intensidad en una dirección dada contenida en el componente

de campo θ.

UФ , Intensidad de radiación en una dirección dada contenido en el componente

de campo Ф.

(Prad)θ, Potencia radiada en todas las direcciones contenidas en el componente de

campo θ.

(Prad)Ф, Potencia radiada en todas las direcciones contenidas en el componente del

campo Ф.

Ancho de banda.

El ancho de banda de una antena se define como el rango de frecuencias que puede

transmitir con fidelidad la antena o el camino que sigue la información. Dicho de otra

forma el ancho de banda es considerado como el rango de frecuencias a ambos

lados de una frecuencia central (generalmente la frecuencia de resonancia para un

dipolo), donde las características de la antena (impedancia de entrada, modelo,

ancho de haz, la polarización, lado nivel de los lóbulos, la ganancia, la dirección del


34 | Página

haz, la eficiencia de radiación) son encontrados dentro de un valor aceptable en los

que esta la frecuencia central [11].

Para antenas de banda ancha, el ancho de banda es expresado como la relación de

las frecuencias superiores a inferior de funcionamiento aceptable. Para antenas de

banda estrecha, el ancho de banda se expresa como un porcentaje de la diferencia

de frecuencia (menos superior e inferior) sobre la frecuencia central del ancho de

banda.

Por ejemplo, un ancho de banda de 10% indica que la diferencia de frecuencia de

aceptable operación es 10% de la frecuencia central del ancho de banda.

Debido a las características (impedancia de entrada, modelo, ganancia, polarización,

etc.) de una antena no necesariamente varían de la misma manera o están incluso

son afectadas severamente por la frecuencia, no hay caracterización única de la

anchura de la banda. Las especificaciones se establecen en cada caso para

satisfacer las necesidades de la aplicación particular. En general, hay una distinción

entre las variaciones de los patrones y la impedancia de entrada. De acuerdo con el

patrón ancho de banda y el ancho de banda de impedancia se utilizan para enfatizar

esta distinción. Asociado con un ancho de banda de ganancia son patrón, el nivel de

los lóbulos laterales, anchura de haz, la polarización y la viga dirección, mientras que

la impedancia de entrada y la eficiencia de radiación están relacionadas con la

impedancia ancho de banda.

Por ejemplo, el patrón de un dipolo lineal con la longitud total de menos de un medio

de longitud de onda (l <λ / 2) es insensible a la frecuencia. El factor limitante para

impedancia de la antena, y su ancho de banda se puede formular en términos de la

Q.

Por lo tanto el ancho de banda generalmente se formula en términos de ancho de

haz, el nivel de los lóbulos laterales, y las características del patrón. Para longitud

intermedia de antenas, el ancho de banda suelen ser limitados por cualquiera de los

patrones o variaciones de impedancia, dependiendo de la aplicación particular.

Las antenas con muy grande anchos de banda (como 20: 1 o mayor) se han

diseñado en los últimos años. Estos son conocidos como antenas independientes de

frecuencia.

La anterior propone que las redes de acoplamiento y / o las dimensiones de la

antena no se alteren de ninguna manera. Es posible aumentar la gama de

frecuencias de banda estrecha aceptable de un antena si los ajustes son adecuados


35 | Página

se pueden hacer en las dimensiones críticas de la antena y / o en las redes de

acoplamiento a medida que se cambia la frecuencia.

Los ejemplos más comunes son la antena de una radio de coche y las "orejas de

conejo" de una televisión. Tanto por lo general tienen longitudes ajustables que se

pueden usar para sintonizar la antena para una mejor recepción.

Impedancia de entrada.

Impedancia de entrada se define como la impedancia que es representada por una antena en sus terminales o la relación de la tensión a la corriente en un par de terminales o la relación apropiada de componentes de la eléctrica a los campos magnéticos en un punto. Esta parte esta principalmente interesado en la impedancia de entrada a un par de terminales que son los terminales de entrada de la antena [5]. En la figura 2.11 las terminales se designan como a - b. La relación de la tensión a corriente en estos terminales, sin carga adjunta, define la impedancia de la antena como:

ZA = RA + jXA (2.13)

Fig. 2.11 Antena en modo de transmisión.

Dónde:

ZA , Impedancia de la antena en los terminales de a-b (ohmios).

RA , Resistencia de la antena en los terminales de a-b (ohmios).

XA , Reactancia de la antena en los terminales de a-b (ohmios).

a

b

Generador

(Zg).

Antena.

Onda radiada.


36 | Página

En general, la parte sensible de la ecuación (2.16) consta de dos componentes; es

decir:

RA = Rr + RL (2.14)

Dónde:

Rr , Resistencia a la radiación de la antena.

RL , Resistencia a la pérdida de la antena.

Si se supone que la antena está conectada a un generador con una impedancia

interna:

Z = R + jX (2.15)

Dónde:

Rg , Resistencia de la impedancia de generador (ohms).

Xg , Reactancia de la impedancia del generador (ohms).

Ganancia.

Otra de las medidas muy útiles que describe el funcionamiento de una antena es la

ganancia. A pesar de que la ganancia de la antena está estrechamente relacionada

con la directividad, es una medida que tiene en cuenta la eficiencia de la antena, así

como sus capacidades de dirección. Recuerda que es una medida de directividad

que describe sólo las propiedades direccionales de la antena, y por lo tanto se

controla sólo por el patrón [5].

Ganancia de una antena se define como la relación de la intensidad, en una

dirección dada, a la intensidad de la radiación que se obtendría si la energía

aceptada por el cable de la antena irradia isotrópicamente.[5] La intensidad de la

radiación correspondiente a la potencia isotrópica radiada es igual a la potencia

aceptado (entrada) por la antena dividido por 4π. La ecuación esta expresa como:

(2.16)


37 | Página

En la mayoría de los casos nos ocupamos de ganancia relativa, que se define como

la relación entre el ganancia de potencia en una dirección dada a la ganancia de

potencia de una antena de referencia en su referencia dirección. La potencia de

entrada debe ser la misma para ambas antenas. La referencia antena es

generalmente un dipolo, cuerno, o cualquier otra antena cuya ganancia puede

calcularse o se sabe. En la mayoría de casos, sin embargo, la antena de referencia

es una fuente isotrópica sin. La ecuación seria la siguiente:

(2.17)

Cuando la dirección no se indica, la ganancia de potencia se toma generalmente en

la dirección de máxima radiación.

Se puede escribir que la potencia total radiada (Prad) es relacionada con la potencia

total de entrada (Pin) por:

Prad = ecd Pin (2.18)

Donde ecd es la eficiencia de radiación de la antena (adimensional).

De acuerdo a los estándares de la IEEE, ganancia no lo hace incluir las pérdidas

resultantes de desajustes de impedancia (pérdidas de reflexión) y la polarización

desajustes (pérdidas).

Definimos dos ganancias; uno, referido como ganancia (G), y el otro, a que se refiere

como ganancia absoluta (Gabs), que también tiene en cuenta las pérdidas de

reflexión / desajuste representados anteriormente.

Por lo tanto ganancia se representa de la siguiente manera:

θ, Ф) = ecd *

+ (2.19)

Que está relacionada con la directividad vista en conceptos anteriores con:

(2.20)


38 | Página

Parámetros S.

Las antenas como muchos de los circuitos puede ser caracterizados como un red de dos puertos esto con la finalidad de poder analizar la respuesta general del sistema. En la figura 2.12 observamos la red de dos puertos de forma esquemática.

I1 I2

Puerto1 V1 V2 Puerto 2

Fig. 2.12 Red de dos puertos.

Hay diferentes parámetros existentes para redes de dos puertos los cuales son: parámetros de impedancia, admitancia, híbridos, transmisión, transmisión inversa y de dispersión.

Estos parámetros a excepción de los de dispersión (S), se obtienen sus valores considerando circuitos abiertos y cortos circuitos pero al trabajar a frecuencias altas pierden validez debido a que no se puede lograr un corto circuito o circuito abierto por capacitancias e inductancias parasitarias. Los parámetros S pueden ser utilizados para cualquier frecuenta ya que estos no hacen consideraciones de ningún circuito abierto o corto circuito solo se basan en los niveles de potencia que se perciben en las terminales de la red de dos puertos [15].

Tipos de parámetros S.

S11 este parámetro mide la cantidad de potencia que es reflejada en el puerto 1 en comparación con la cantidad de potencia que se le aplica en el puerto 1

S12 este parámetro mide la potencia recibida en el puerto 1 en comparación a la enviada por el puerto 2

S21 este parámetro mide la potencia recibida en el puerto 2 en comparación con la enviada por el puerto 1

S22 este parámetro mide la potencia reflejada en el puerto 2 en comparación con la cantidad de potencia que se envía por el puerto 2

Estos parámetros se definen como:

Red de dos

puertos


39 | Página

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

Dónde:

√ (2.25)

√ (2.26)

√ (2.27)

√ (2.28)

Polarización.

La polarización es aquella propiedad de una onda electromagnética que se describe

en la dirección variante con el tiempo y la magnitud relativa del vector campo

eléctrico. Es decir la polarización es la curva trazada externamente por la punta de

una flecha la cual representa el campo eléctrico instantáneo [16].

La polarización es clasificada en Lineal, Circular y Elíptica:

Polarización circular.

Esta polarización se produce cuando los módulos de las componentes son iguales y

la diferencia de fase es δ = ±π / 2; si δ = π / 2 en este caso la polarización es a

derechas y si δ = −π / 2 entonces la polarización es a izquierdas.


40 | Página

Para ambas polarizaciones el modulo del campo eléctrico es constante

(

)

⁄ ( ) (2.29)

Polarización a derechas.

Para esta polarización la orientación, en el plano Z=0, está dada por

( (

⁄ )

) (

) (2.30)

El ángulo disminuye con el tiempo o el vector campo eléctrico gira en el sentido de

las manecillas del reloj.

Polarización a izquierdas.

Para esta polarización la orientación, en el plano Z=0 está dada por

( (

⁄ )

) (

) (2.31)

El ángulo aumenta con el tiempo o el vector campo eléctrico gira en sentido contrario

a las manecillas del reloj.


41 | Página

CAPÍTULO 3

DISEÑO Y

SIMULACIÓN


42 | Página

CAPÍTULO 3. DISEÑO Y SIMULACIÓN

3.1 Antenas de Microstrip (Microcinta). Las antenas de microstrip son comúnmente usadas en diversas aplicaciones como

en aeronaves de alto rendimiento, naves espaciales, satélites e incluso para misiles,

donde el tamaño, peso, costo, rendimiento, facilidad de instalación y el perfil

aerodinámico sean limitaciones o factores a considerar y por estos motivos este tipo

de antenas pueden ser la única alternativa.

En la actualidad existen muchas otras aplicaciones gubernamentales y comerciales,

tales como la radio móvil y comunicaciones inalámbricas en general, este tipo de

antenas trabajan a frecuencias elevadas, principalmente frecuencias del orden de

microondas y ondas milimétricas.

La antenas de microstrip también son conocidas como antenas tipo parche ya que se

basan en la misma tecnología, este tipo de antenas surgen por la necesidad de

miniaturizar los aparatos electrónicos ya que la tendencia actual es la de fabricar

dispositivos cada vez más pequeños y con componentes más livianos. Este tipo de

antenas son adaptables a las superficies planas y no planas, además de que su

fabricación es sencilla y barata al utilizar tecnología moderna de circuitos impresos,

además de la facilidad de adaptarles circuitos integrados de microondas, estas

antenas son versátiles en cuanto a la frecuencia de resonancia, la polarización, el

patrón y la impedancia.

Las principales desventajas de funcionamiento de las antenas de microcinta son su

baja eficiencia, baja potencia de radiación (ya que por ser una antena de microstrip

su estructura no le permite manejar alta potencia), además el ancho de banda de

frecuencia muy estrecha, dependiendo del tipo de sustrato que se utilice tiende a ser

afectada por el factor térmico.

En algunas aplicaciones, tales como en los sistemas de seguridad gubernamental,

los anchos de banda estrechos son más deseables. Sin embargo, hay métodos, tales

como el aumento de la altura del sustrato, que se pueden utilizar para extender la

eficiencia (a un 90%) y ancho de banda (hasta alrededor de un 35%).

Sin embargo, como la altura del sustrato aumenta, se introducen las ondas

superficiales que por lo general no son deseables debido a que extraen energía de la

que hay disponible para la radiación directa (ondas espaciales). Las ondas

superficiales viajan dentro el sustrato y estas se encuentran dispersos en las curvas


43 | Página

y discontinuidades superficiales del material, tales como la unión entre el dieléctrico y

el plano de tierra, estas ondas superficiales degradan el diagrama de antena y

características de polarización. Las ondas de superficie pueden ser eliminadas,

mientras se mantiene grandes anchos de banda, mediante el uso de

cavidades. Apilador, así como otros métodos, de elementos de microcinta también se

pueden utilizar para aumentar el ancho de banda.

3.2 Antecedentes. Deschamps propuso por primera vez el concepto de las antenas de microstrip en

Estados Unidos en el año de 1953. Dos años más tarde en 1955 es presentada una

patente en Francia a nombre de Gutton y Baissinot. Sin embargo, las antenas

prácticas fueron desarrolladas por Munson y Howell en la década de 1970. A

comienzos de los años 80 se dio lugar a la práctica y en última instancia, a la

fabricación masiva, todo esto fue posible gracias a la disponibilidad de buenos

sustratos con mejores propiedades térmicas y mecánicas además de tener un bajo

factor de pérdida, a la vez que se contaba con mejores modelos teóricos. Las

numerosas ventajas de las antenas de microstrip, tales como volumen pequeño, su

bajo peso y la facilidad de fabricación utilizando tecnología de circuito impreso,

condujo al diseño de varias configuraciones para varias aplicaciones. Con el

aumento de los requisitos para las comunicaciones personales y móviles, la

demanda de antenas más pequeñas y de bajo perfil ha traído a las antenas de

microstrip a la vanguardia.

Tabla 3.1 Ventajas y desventajas comúnmente conocidas de las antenas

microstrip.

Ventajas Desventajas

Peso liviano Pequeño ancho de banda

Perfil Delgado Baja eficiencia

Pueden ser de diferentes formas Problemas de tolerancia

Fabricación simple Pureza en la polarización difícil de lograr

Bajo costo Requiere sustratos de alta calidad y buena tolerancia a temperaturas extremas

Pueden crearse fácilmente arreglos simples Radiación ajena a los alimentadores, junturas y ondas superficiales

Pueden ser integradas a circuitos Arreglos de alta performance requieren de complejos sistemas de alimentación.


44 | Página

Una antena de microstrip en su forma más simple consiste en un parche radiante en

un lado de un substrato dieléctrico y un plano de tierra en el otro lado. Las vistas

desde arriba y lateral de una antena de microstrip rectangular se muestran en la

Figura 3.1. Sin embargo, otras formas, tales como el cuadrado, circular, triangular,

semicircular, sectorial, y formas de anillos anulares que se muestran en la Figura 3.4

también son utilizadas.

Fig. 3.1 Vistas arriba y lateral de una antena de microstrip rectangular.

La radiación de la antena de microstrip puede ocurrir a partir de los campos de franja

entre la periferia del parche y el plano de tierra.

La longitud (L) del parche rectangular para la excitación de modo fundamental TM10

es ligeramente menor que λ/2, donde λ es la longitud de onda en el medio dieléctrico,

que en términos de longitud de onda en el espacio libre λ0 se da como:

√ (3.1)

Dónde:

; Es la constante dieléctrica efectiva de una línea de microcinta de anchura W.


45 | Página

El valor de es ligeramente menor que el valor de (constante dieléctrica del

sustrato), debido a que los campos de franja del parche al plano de tierra no se

limitan sólo en el dieléctrico, pero también son propagados en el aire. Para mejorar

los campos de franja desde el parche, que representan la radiación, se incrementa la

anchura W del parche. Los campos de franja también se han mejorado por la

disminución de la o al aumentar el espesor del sustrato h. Por lo tanto, a

diferencia de las aplicaciones de circuitos integrados de microondas (MIC), estas

antenas utilizan parches microstrip con mayor anchura y sustratos con menor y

(h) más grueso. Los detalles de diversos sustratos utilizados para MSA son

detallados por el fabricante. Para aplicaciones de antenas de microstrip, en la banda

de frecuencia de microondas, por lo general se toma h mayor o igual a 1/16 de

pulgada (0,159 cm).

3.3 Antena de ranura (Slot).

La antena slot fue inventado en 1938 por Alan Blumlein, mientras trabajaba para EMI. Se inventó con el fin de producir un tipo práctico de antena para la radiodifusión de televisión VHF que tendría polarización horizontal, un patrón de radiación horizontal omnidireccional y un diagrama de radiación vertical estrecho. Las antenas de slot o de ranura se utilizan típicamente a frecuencias dentro de un rango de 300 MHz y 24 GHz. La polarización de la antena de slot es lineal. El tamaño de la ranura, la forma y lo que está detrás de ella (la cavidad) son variables de diseño que se pueden utilizar para ajustar el rendimiento. La antena slot consiste en una superficie de metal, por lo general una placa plana, con un agujero o ranura cortada. Se puede considerar como una versión complementaria de un dipolo.

Cuando la placa es conducida como una antena por una frecuencia de excitación, la ranura irradia ondas electromagnéticas de una manera similar a una antena dipolo. La forma y tamaño de la ranura, así como la frecuencia de excitación, determinan el patrón de distribución de la radiación. La radiación se produce cuando la ranura no es directamente en el centro de la guía de ondas. A menudo, las ondas de radio son proporcionadas por una guía de ondas, y la antena se compone de ranuras de la guía de ondas. Son ampliamente utilizados en las antenas de radar, para las antenas sectoriales utilizadas para las estaciones base de telefonía celular, y se encuentran a menudo en fuentes de microondas de escritorio estándar que se utilizan para fines de investigación.


46 | Página

Las principales ventajas de una antena de ranura son su tamaño, la sencillez de diseño, robustez, la adaptación conveniente para la producción en masa utilizando la tecnología de placa de circuito impreso y permite muy alta transmisión de ondas EM.

3.4 Técnicas de alimentación. Las antenas de microstrip tienen elementos irradiantes en una de las caras del

sustrato dieléctrico y para que estos elementos irradien [8], las antenas de microstrip

pueden ser excitadas directamente o bien mediante una sonda coaxial o por una

línea de microcinta a través del plano de tierra. También puede ser excitado

indirectamente mediante acoplamiento electromagnético o acoplamiento de abertura

y una alimentación de guía de onda coplanar, en cuyo caso no hay contacto metálico

directo entre la línea de alimentación y el parche.

Conforme estas nuevas técnicas de alimentación se han ido desarrollando, se han

dividido en dos grupos: Alimentación por contacto y alimentación sin contacto, la

forma de clasificarlos es la siguiente.

En los métodos de alimentación por contacto, la potencia de radio frecuencia se

transfiere de manera directa al parche mediante elementos conectivos, entre los

métodos más comunes de alimentación son el de alimentación por acoplamiento

coaxial y alimentación por línea de microstrip coplanar. El segundo grupo de

alimentación sin contacto, tiene como métodos el de acoplamiento de apertura,

alimentación por acoplamiento de proximidad, y por guía de ondas coplanar, donde

la transferencia de potencia se debe por el acoplamiento entre campos

electromagnéticos.

Lo más importante a considerar al elegir alguna técnica de alimentación, es que se

debe de lograr la máxima eficiencia en la transferencia de potencia de la fuente hacia

la antena y viceversa, de la antena al receptor, esto implica que la adaptación de

impedancias garantice el menor nivel de pérdidas posible.

La técnica de alimentación influye en la impedancia de entrada y las características

de la antena, y es un parámetro de diseño importante.

3.5 Alimentación coaxial (alimentación por contacto). El acoplamiento de potencia a través de una sonda, es uno de los mecanismos

básicos para la transferencia de señal de microondas. Dicha sonda puede tratarse

del conductor interno de una línea coaxial que se extiende a través del dieléctrico y

se suelda al parche, mientras que el conductor exterior es conectado al plano de

tierra.


47 | Página

Este acoplamiento es importante ya que la impedancia de la antena rara vez

corresponde con la impedancia de la sonda que por lo regular es de 50 Ω, es por eso

que se requiere de algún acopamiento de impedancia. Como el campo eléctrico de

un parche tipo rectangular varia en relación con su ancho, la manera de realizar

dicho acoplamiento al utilizar la forma de alimentación por sonda coaxial

simplemente se puede lograr simplemente al mover el punto de alimentación.

Aunque al mover el punto de alimentación puede producir un cambio no deseado en

la frecuencia de resonancia de la antena, se puede solucionar al modificar las

dimensiones del parche.

La disposición de alimentación coaxial o de la sonda se muestra en la Figura 3.2. El

conductor central del conector coaxial se suelda al parche.

La principal ventaja de este tipo de alimentación es que se puede colocar en

cualquier lugar deseado en el interior del parche para que coincida con su

impedancia de entrada.

Las desventajas son que el agujero tiene que ser perforado en el sustrato y que el

conector sobresale fuera del plano de tierra inferior, de modo que no es

completamente plana. Además, esta forma de alimentación hace que la

configuración sea asimétrica.

Fig. 3.2 Tipo de alimentación por sonda coaxial.


48 | Página

3.6 Alimentación por línea de microstrip.

Los métodos de alimentación directa, requieren que la antena o estructura de

radiación, se encuentre en contacto directo con la estructura o línea de alimentación.

En la alimentación por línea de microstrip, consiste en conectar directamente la

estructura de radiación a una línea de microstrip (micro cinta), la cual, tendrá que

diseñarse de forma correcta con el fin de obtener una impedancia característica

requerida, la alimentación por microstrip es un método fácil de realizar y existen dos

principales formas de alimentación utilizando este método, la primera es conectando

la microcinta directamente en un borde de la estructura radiante, la segunda es

conectar la línea de microcinta realizando inserciones en la estructura radiante, tal y

como se puede apreciar en la Figura (a) y (b) respectivamente.

Para la alimentación por microstrip realizando inserciones en la estructura, lo que

determinara el acoplo de impedancia será el grado de profundidad de las

inserciones. La alimentación por microstrip realizando inserciones, equivale a decir

que se va a insertar la microcinta más adentro del parche y esta posición se escoge

de manera que la impedancia de entrada de la antena sea de 50 Ω, esa posición

seria la misma si se deseara realizar la alimentación mediante una sonda coaxial.

Para la forma de alimentación directa en el borde de la antena, lo que garantiza que

exista un mejor acoplamiento de impedancia, estará determinada por la variación en

la posición de la estructura de alimentación (microstrip) en el borde del parche.

La construcción de este tipo de estructura de alimentación por contacto es sencilla,

ya que al ser elaborada sobre el mismo sustrato en el que se encuentra el parche,

puede ser visto como una extensión, por lo que se pueden fabricar, tanto la

estructura radiante o parche y la estructura de alimentación o microcinta al mismo

tiempo.

3.7 Inserción.

Este enfoque analítico simple ha sido desarrollado mediante el modelo de línea de

transmisión para encontrar la impedancia de entrada de una antena alimentada por

una línea de microcinta con inserción. Se llegado a obtener una fórmula de curva de

ajuste para encontrar la longitud de inserción y así lograr una impedancia de entrada

de 50 Ω cuando se utilizan materiales dieléctricos.


49 | Página

La impedancia de entrada de una antena con alimentación mediante microstrip con

inserción, depende principalmente de la distancia inserción, Y0 , y en cierta medida

de la anchura de inserción, que es el espacio entre la línea de alimentación y la

estructura resonante o parche, las variaciones en la longitud de inserción no

producen ningún cambio en la frecuencia de resonancia, pero una variación en la

anchura de inserción dará lugar a un cambio en la frecuencia de resonancia. Además

se ha estudiado que la impedancia de entrada cae más rápidamente a medida que la

posición de inserción se mueve desde el borde del parche hacia el centro, en

comparación con las antenas de tipo parche que han sido alimentadas mediante una

sonda coaxial. Así mismo puede ocurrir un pequeño cambio en la frecuencia de

resonancia cuando existe una falta de consideración de la discontinuidad entre la

línea de alimentación con inserción y el parche.

La dimensión de Wf que nos ayudara a obtener un buen acoplamiento de

impedancias estará determinada por la siguiente formula:

√ (3.2)

De la misma manera la dimensión de Yo quien es la posición de la alimentación

desde el borde a lo largo de la dirección de la longitud L del parche, estará

determinada mediante la fórmula mostrada a continuación:

(3.3)


50 | Página

En la figura 3.3 se muestran las dos distintas formas de realizar una

alimentación de tipo microstrip.

(a) Conexión de línea de microstrip por inserciones.

(b) Conexión directa de línea de microtrip al parche.

Figura 3.3 Modos de alimentación por microstrip.

Wf

Yo


51 | Página

3.8 Sustrato para antenas de microstrip. La elección del sustrato es el primer paso en el diseño de una antena microstrip, este

nos brindara el soporte mecánico al elemento, esto significa que debe estar

compuesto de un material dieléctrico que puede afectar su rendimiento, ya sea que

se utilice en líneas de transmisión, para circuitos o en antenas.

El sustrato que se elija debe de cumplir las características tanto eléctricas como

mecánicas al mismo tiempo, lo que en ocasiones es difícil de conseguir.

Hay que tomar en cuenta muchas propiedades del sustrato con el fin de elegirlo de

manera correcta, para esto se debe de considerar: su coeficiente de pérdida,

constante dieléctrica (permitividad relativa εr), su variación en función de la

temperatura y de la frecuencia, coeficiente térmico, homogeneidad, humedad,

isotropicidad, uniformidad del espesor, rango de temperatura y vida útil.

Otro factor a considerar es con respecto a la fabricación ya que se deben de

contemplar aspectos importantes como: su resistencia a los químicos, la flexibilidad,

resistencia a impactos y a las tensiones que tengan que estar expuestos.

Se tiene la facilidad de poder realizar una elección de un dieléctrico idóneo gracias a

la disponibilidad de una gran variedad de sustratos de PTFE (politetrafluoroetileno),

semiconductores, poliestireno, polifenileno, poliolefina, cuarzo, alumina, zafiro y

materiales ferromagnéticos.

Debido a diferentes factores y ciertas consideraciones que hay que tomar en cuenta

para poder elegir entre un sustrato u otro, se deduce que en realidad no existe un

sustrato ideal, ya que la elección del mismo se realizara dependiendo de la

aplicación para la que este sea utilizado, ya que se deberá de utilizar un sustrato que

tenga una constante dieléctrica de un valor alto en aplicaciones que manejen baja

frecuencia para poder mantener un tamaño pequeño, pero se suelen utilizar

sustratos con baja constante dieléctrica para aplicaciones como lo son las antenas

microstrip.


52 | Página

3.9 Sustratos de bajas pérdidas y bajo costo. Las antenas microstrip que funcionan con frecuencias de microondas, comúnmente

utilizan como sustrato el cuarzo o el PTFE ya que ofrecen un rendimiento eléctrico

excelente además de que permiten obtener una buena eficiencia de radiación.

La desventaja de estos sustratos es que para aplicaciones como pueden ser la

recepción satelital directa por broadcasting, comunicaciones móviles, transmisión de

datos, etc, su costo llega a ser demasiado elevado sabiendo que este tipo de

aplicaciones resultan ser muy cotidianas o comerciales, los costos de producción

masiva de antenas impresas está directamente relacionado a los costos de

conectores y sustratos.

Para dar solución a este inconveniente, se comenzaron a utilizar materiales como el

epoxy/vidrio (FR4), que es utilizado ampliamente en circuitos digitales que funcionan

a baja frecuencia gracias a ciertas características como su disponibilidad y facilidad

de fabricación, así como su bajo costo, pero su constante dieléctrica relativamente

variable y su alto coeficiente de pérdida (δ), impiden que tengan un buen desempeño

al ser implementados para aplicaciones que requieran frecuencias por debajo de

1GHz. Recientemente los fabricantes de sustrato han introducido nuevos materiales

que proveen buen rendimiento eléctrico a precios razonables.

3.10 Características de las antenas tipo parche. Las antenas tipo parche están basadas en tecnología microstrip, a continuación se

describen sus características.

Las antenas tipo parche constan de una capa muy fina (tira conductora) de largo L

ancho A y grosor G. Dicha tira conductora se encuentra ubicada en la parte superior

de un dieléctrico, el cual tiene un ancho N. En la parte inferior del dieléctrico se

encuentra un plano referenciado a tierra. En la figura 3.4 se pueden apreciar las

distintas formas que puede tomar el parche para una antena de microcinta.


53 | Página

Fig. 3.4 Formas de las antenas tipo parche.

Las antenas microstrip pueden utilizar diversos sustratos cuyas constantes

dieléctricas generalmente se encuentran en el rango de 2.2 ≤ εr ≤ 12. Los substratos

más recomendables para un buen funcionamiento de la antena son sustratos

gruesos que se encuentran en el extremo inferior del rango ya que estos nos brindan

mejores resultados en eficiencia y ancho de banda.

Los sustratos de menor grosor y constantes dieléctricas más elevadas son

deseables para circuitos de microondas debido a que requieren de campos

fuertemente unidos en la estructura lo que minimiza la radiación indeseada y el

acoplamiento, además de permitir obtener dispositivos más compactos.

3.11 Métodos de análisis. Para el diseño de antenas de microcinta hay diferentes métodos mediante los cuales

se puede llevar acabo el análisis de dichas antenas.

Modelo de línea de transmisión.

Modelo de cavidades resonantes.

Full-wave.


54 | Página

Método de diferencias finitas.

Método de elementos finitos.

Método de ecuaciones integrales.

Dominio natural.

Dominio espectral.

Para nuestra antena ocuparemos el método de diferencias finitas por el grado de

sencillez y precisión y por la utilización del simulador HFSS.

3.12 Modelo de línea de transmisión.

El modelo de línea de transmisión es el más fácil de diseñar pero de igual forma es el

menos preciso y este solo puede ser utilizado en el diseño de antenas rectangulares

o circulares. Para este modelo se consideran los bordes de la antena como dos

aberturas estrechas (ranuras). Cada abertura tiene un ancho W, una altura h (ancho

del sustrato) y separadas por una distancia L (longitud de la antena).

Las aberturas son consideradas como admitancias complejas las cuales están

compuestas por una conductancia G y una susceptancia B.

El modelo de línea de transmisión supone una permitividad eléctrica efectiva (εref),

combinando las permitividades eléctricas (aire substrato) y asume que la antena se

encuentra inmersa en un medio homogéneo con dicha permitividad constante en

toda su superficie.

La permitividad eléctrica es calculada para tener exactamente las mismas

características eléctricas, principalmente la constante de propagación.

Una vez considerado un solo medio con permitividad constante se procede a calcular

el valor de la longitud efectiva de la antena a diseñar.

Pasos para el diseño de una antena mediante el método de línea de transmisión.

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

construcción de la antena y de esta manera determinar los valores de:


55 | Página

fr , Frecuencia de operación.

εr , Permitividad eléctrica del substrato.

h , Altura del substrato.

2.-Obtener el ancho efectivo de la antena mediante la ecuación.

√ √

√

(3.4)

Velocidad de la luz en el espacio libre.

3.- Obtener la permitividad eléctrica efectiva mediante la ecuación

[

]

(3.5)

4.- Obtener la extensión ΔL mediante la siguiente ecuación que derivará en la

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

(3.6)

5.- Obtener la longitud real de la antena considerando la longitud efectiva de esta y el

valor de

√ √ (3.7)

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

diseñar una antena, sin embargo presenta un defecto al generar un ancho de la

antena W mayor a la longitud L de la antena con fines de lograr una mayor radiación,

sin embargo la eficiencia en el tamaño disminuye al excitar la parte mas corta de la

antena cuando se podrían lograr tamaños más reducidos.


56 | Página

3.13 Diseño de la antena tipo parche.

Al tener los parámetros del sustrato, así como la frecuencia de resonancia a la que

se quiere llegar:

(Frecuencia de operación).

(Permitividad eléctrica del substrato).

(Altura del substrato).

(Permitividad del vacío).

(Permeabilidad magnética del vacío).

Ancho efectivo de la antena:

√ √

√

(3.8)

Permitividad eléctrica efectiva:

[

]

(3.9)

Longitud real de la antena:

(3.10)

(3.11)

Longitud efectiva:

(3.12)


57 | Página

Dónde:

√ (3.13)

Y

(3.14)

Longitud del parche triangular:

(3.15)

Calculo de la línea de transmision:

.

.

.

.

(

) (3.16)

Calculo de la impedancia:


58 | Página

Como:

(

) (3.17)

Si: (

)

[

√ (

)

] (3.18)

Y:

√ *

(

)+

(3.19)

Calculo del inset:

(3.20)

Debido al programa de simulación el cual utiliza el método de diferencias finitas se

realizó el diseño correspondiente, por lo cual los parámetros finales son los

siguientes. En la figura 3.5 se muestra como quedaron las dimensiones de la antena

para WiFi en la banda de 2.45 GHz.


59 | Página

Fig. 3.5 Diseño de la antena para WiFi en la banda de 2.45 GHz.

3.13 Simulación.

Como podemos ver en el diseño de la simulación se ve aparentemente muy fácil de

realizar sin embargo se tuvo complicaciones debido que para realizar el diseño de las

ranuras tipo L tuvimos que realizar rectángulos con las medidas para que pudieran

cumplir las medidas de las ranuras, pero eso no fue lo más difícil si no asignar las

coordenadas correspondientes para llegar a tal diseño.

Asi mismo para poder juntar las figuras correspondientes se tuvo que seleccionar

caras y figuras para poder hacerla una sola para no influir en los cálculos de los

patrones y poder hacer las simulaciones correspondientes.

En la figura 3.6 podemos observar las dimensiones correspondientes para la antena

WiFi en el simulador en la banda de 2.45 GHz.


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Fig. 3.6 Diseño de la antena en el programa de simulación.

La figura 3.7 y 3.8 muestran el patrón de radiación en 180° de la antena prototipo y

conevencional en la banda de 2.45 GHz en el plano vertical o plano eléctrico (plano

E). En la figura se observa su patrón de radiación direccional, donde la antena

prototipo tiene mejor patrón de radiación y mejor ganancia.

Fig. 3.7 Patrón de radiación de la antena prototipo.


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Fig. 3.8 Patron de radiación de la antena convencional.

En la figura 3.9 y 3.10 se muestra el parámetro S11 donde podemos observar que

corresponde a la frecuencia de resonancia de 2.45 GHz, donde se muestra que la

antena prototipo tiene un ancho de banda aproximado de 400 MHz y una ganancia

aceptable de -20dBi el cual es mejor que la antena convencional.

Fig. 3.9 Simulación del parámetro S11 de la antena prototipo.


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Fig. 3.10 Simulación del parámetro S11 de la antena convencional.

En la figura 3.11 y 3.12 se puede observar el patrón de radiación de la antena para

WiFi en la banda de 2.45 GHz en 3D. Donde se puede ver que la ganancia total de la

antena prototipo es mayor que la antena convencional. De esta forma vemos que la

antena prototipo tiene mejores resultados que la antena convencional.

Fig. 3.11 Ganancia total de la antena prototipo en dB.


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Fig. 3.12 Ganancia total de la antena convencional en dB.


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CAPÍTULO 4

CONSTRUCCIÓN,

PRUEBAS Y COSTOS

DE LA ANTENA PARA

WIFI EN LA BANDA DE

2.45 GHZ


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CAPÍTULO 4. CONSTRUCCIÓN, PRUEBAS Y COSTOS DE

LA ANTENA PARA WIFI EN LA BANDA DE 2.45 GHZ

En este capítulo se explicaremos la etapa de construcción y pruebas iniciando con la

fabricación de la antena para WiFi en la banda de 2.45 GHz.

4.1 Construcción. Primeramente se elaboró el diseño en el simulador PCB Wizard para posteriormente

imprimir el diseño en papel couche y proceder al planchado del circuito en la placa de

FR4 y por ultimo soldar el conector SMA hembra. En la figura 4.1 y 4.2 se observa

construida la antena prototipo, así como sus dimensiones y la forma de alimentación.

Fig. 4.1. Circuito impreso de la antena WLAN en la banda de 2.45 GHz.


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Fig. 4.2. Conector SMA hembra soldado en la placa FR4.

4.2 Mediciones.

Con la finalidad de medir la frecuencia de resonancia e impedancia de la antena

diseñada se ha utilizado un Analizador Vectorial de Redes ZVB 4 mostrado en la

figura 4.3, el cual fue calibrado para poder obtener las medidas correctas, con tres

dispositivos de prueba llamados OPEN (red abierta), SHORT (red en corto circuito) y

THRU (red conectada a una carga de 50 ohms), las cuales fueron conectadas en el

puerto del analizador vectorial de redes para poder comparar y establecer diferencia

entre los tres modos, los datos fueron guardados y cada registro calibrado.

El rango de lectura fue de 100 MHz a 4GHz como podemos apreciar en la figura 4.4.

Para poder conectar la antena al analizador vectorial de señales se usó un conector

SMA de 50 ohms a dicha antena con un mínimo de soldadura para no tener

afectaciones en las respuestas en frecuencias y en la impedancia de entrada.


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Fig. 4.3 Analizador vectorial de redes.

Fig. 4.4 Frecuencias de resonancia de la antena para WiFi en la banda de

2.45 GHz.


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Como podemos observar en la figura 4.4 no solo esta resonando en la banda

correspondiente de 2.45 GHz si no que se tuvo dos bandas adicionales de telefonía

móvil. La primera a 1.65 GHz correspondiente a GSM (Sistema global para las

comunicaciones móviles) y la segunda a 763.46 MHz que corresponde a 4G que sus

siglas son utilizadas para referirse a la cuarta generación de tecnologías de telefonía

móvil.

Para análisis de la figura 4.4 es importante tomar en cuenta los parámetros de

dispersión principalmente el parámetro S11 los cuales describen completamente el

comportamiento de un dispositivo bajo condiciones lineales en un determinado rango

de frecuencias.

El parámetro S11 es el más importante debido a que es un coeficiente de reflexión

ubicado en la entrada de la línea el cual es un punto muy importante que nos permite

conocer los efectos producidos en la radiación. Así mismo nos indica el acoplamiento

logrado en una red o dispositivo pues el coeficiente de reflexión (Г) que nos da una

respuesta en frecuencia suave y no abrupta, también nos indica una frecuencia de

resonancia especifica dentro de un rango.

En la figura 4.5 podemos observar una fotografía del prototipo de la antena para WiFi

ya probada en la cámara anecoica. Y en la figura 4.6 un acercamiento de dicha

antena.

Fig. 4.5. Prototipo de antena en la cámara anecoica.


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4.3 Proyección de costos.

En la siguiente tabla se proyecta los materiales utilizados para el diseño, simulación y

construcción de la antena para WiFi tipo parche con ranuras tipo L, así como sus

respectivas horas de trabajo en el diseño y mano de obra para su fabricación

generando su respectivo costo.

TABLA 4.1 COSTOS DE DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE LA

ANTENA.

MATERIAL HORAS DE TRABAJO COSTO

PLACA DE FR4 $ 35.00

ACETATO $ 1.00

IMPRESIÓN DE ACETATO $ 3.00

CLORURO FÉRRICO $ 45.00

CASO PARA ACIDO $ 15.00

CONECTOR HEMBRA SMA 1 $ 135.00

SOFTWARE DE SIMULACIÓN $ 500.00

DISEÑO 8 $ 1000.00

MANO DE OBRA 3 $ 375.00

TOTAL. $ 2109.00


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CONCLUSIONES.

Deacuerdo a las investigaciones realizadas sobre las antenas de bajo

perfil (miniatura) y los beneficios que estas ofrecen, se realizo el

prototipo de una antena que cumple con los estándares necesarios para

su correcta compatibilidad con los diferentes equipos que poseen la

tecnología inalámbrica en aplicaciones WLAN.

En base a las dimensiones obtenidas deacuerdo a las ecuaciones de

aproximación se reliazo la simulación del prototipo en la cual

observamos los principales parámetros de la antena como lo son el

parámetro S11 el cual nos indica la frecuencia de resonancia a 2.45 GHz

con una ganancia de -20dBi y un ancho de banda aceptable para

frecuencias altas de aproximadamente 400 MHz, así como su patrón de

radiación directivo y la ganancia total de la antena.

Finalmente se realizaron pruebas de mediccion en la cámara anecoica

utilizando el analizador vectorial de redes donde se corrobora que el

prototipo realizado teóricamente, simulado y físicamente son muy

aproximados y nos garantizan el correcto funcionamiento de la antena

para aplicaciones inalámbricas.


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REFERENCIAS.

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[2] http://www.tecnowifi.com/

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[4] Cardama Aznar, A., Jofre Roca, L., Rius Casals, J. M., Romeu, R. J., Blanch Boris, S., &

Ferrando Bataller, M. (2002). "Antenas". Catalunya: El Tinter.

[5] Balanis, Constantine, A “Antenna theory analysis and desing” , 3ra edición Estados Unidos:

Jhon Wiley & sons, inc, 2005

[6] http://cursoslibres.academica.mx/

[7] K.P. , R. (2003). "Broadband microstrip antennas". Boston: Artech House.

[8]http://www.fi.mdp.edu.ar/electronica/catedras/mediosdetransmision/files/informacion%20

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[11] Bibliography Pérez., E. H. (2013.). "Comunicaciones II". México.: Limusa.

[12] Bibliography Andina, F. (2012). "Redes Wi-Fi en entornos Windows". Buenos Aires: USERS.

[13] Koop, M. (2010). "An Introduction to HFSS". Canonsburg, USA: ANSYS.

[14] "Manual introductorio a HFSS". Valeria Tapia L. y Patricio Mena M., EL 3002-

Electromagnetismo aplicado, Departamento de Ingeniería Eléctrica Facultad de ciencias físicas y

matemáticas

[15] http://antenaruval.mex.tl/imagesnew2/0/0/0/2/0/5/4/9/3/1/TEMA%202_3.pdf

[16] http://www3.uah.es/mars/FFII/Polarizacion.pdf

aplicación en WiFi.

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