ARTICULO ORIGINAL

 

Antena doble banda alimentada por proximidad para aplicaciones de WLAN en 2.4 y 5.2 GHz

 

Dual band antenna fed by proximity to WLAN applications in 2.4 and 5.2 GHz

 

 

Ing. Danelys Rodríguez Ávila, Ing. Elyú González Gutiérrez, Ing. Michel Coto Mederos, Dr. Francisco R. Marante Rizo

Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba. E-mail: [e-mail] , [e-mail] , [e-mail] , [e-mail]

 

 

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RESUMEN

En este trabajo se presenta el diseño de una antena de microcinta doble frecuencia, alimentada por proximidad. El dispositivo trabaja en las bandas de 2.4 (2.4-2.485 GHz) y 5.2 (5.15-5.35 GHz) de Wifi. Para alcanzar la operación en doble frecuencia, se ha realizado una ranura en forma de herradura en el centro del parche. Se ha logrado que la nueva banda sea ajustable en un amplio rango (desde 4.95 hasta 5.70 GHz), lo que permite obtener relaciones de frecuencias f₂/f₁ desde 2.06 hasta 2.38.

Palabras claves:microcinta, doble frecuencia, ajustable.

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ABSTRACT

In this work it is presented a dual band proximity fedmicrostrip antenna. The device works on Wifibands2.4 (2.4-2.485 GHz) and 5.2 (5.15-5.35 GHz). Dual frequency operation has been realized by a slot patch. The new bandcan be adjustable in a wide range from 4.95 to 5.70 GHz, which allows getting frequency ratios f₂/f₁from 2.06 to 2.38.

Key words:microstrip,dual frequency, adjustable.

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INTRODUCCIÓN

 

Debido a la necesidad emergente de los sistemas de comunicaciones móviles actuales de soportar múltiples servicios inalámbricos como la conmutación hacia otros canales, mejoras de las velocidades de transmisión, calidad de voz y video, menos llamadas perdidas, transmisión de mayores volúmenes de información, etc., se ha incrementado el desarrollo de antenas que trabajen con un mayor ancho de banda y que resuenen en varias frecuencias.

Por otra parte, desde la invención de la antena de microcinta y debido a sus características de perfil plano, fácil fabricación e integración en dispositivos de microondas, bajo costo, así como su éxito en aplicaciones militares, comunicaciones móviles satelitales, comunicaciones celulares terrestres, GPS (Sistema de Posicionamiento Global), etc., esta tecnología ha ganado gran popularidad en el campo de las comunicaciones inalámbricas. Sin embargo, una de sus limitaciones es su operación en una sola banda de frecuencia, por lo que surge la necesidad de buscar técnicas y métodos encaminados a superar esta deficiencia¹.

En este trabajo se propone un diseño de antena de microcinta alimentada por proximidad para las bandas de 2.4 (2.4-2.485 GHz) y 5.2(5.15-5.35 GHz)de Wifi. Se ha logrado que en este prototipo, la banda de 5.2 sea ajustable, alcanzando relaciones de frecuencias f₂/f₁ desde 2.06 hasta 2.38.

La antena, diseñada con el Modelo de Línea de Transmisión²presenta aceptables patrones de radiación para ambas frecuencias y cumple con los requisitos de anchos de banda para las aplicaciones correspondientes (Wifi).

DISEÑO INICIAL PARA 2.4 GHz

Este modelo consiste en una antena alimentada por proximidad, diseñada para 2.4 GHz con el Modelo de Línea de Transmisión y utilizando FR4 para ambos sustratos (superior e inferior)³. Se ha empleado alimentación por proximidad, ya que con esta técnica se obtienenanchos de bandasuperiores⁴ (hasta el 13 %). Esto ha permitido cumplir con los requerimientos de ancho de banda de las aplicaciones correspondientes.

En Tabla1 se muestran las dimensiones del modelo, mientras en la Figura 1 se pueden apreciar las vistas superior yfrontal de la antena diseñada en HFSS.

En la Figura 2 se muestra el parámetro S₁₁ de esta antena. Existe además un pulso en 2,8 GHz que no se pudo eliminar sin afectar el ancho de banda en 2.45 GHz. De cualquier forma, éste no afecta los propósitos del diseño.

Para la frecuencia de resonancia de interés (2.44 GHz) se obtuvo un valor de -46 dB de pérdidas de retorno, lo que muestra el adecuado acoplamiento del dispositivo.

CREACIÓN DE LA NUEVA BANDA

Para crear la banda de 5.2 GHz, primeramente se analizóla distribución de campo sobre el parche para esta frecuencia (Figura 3). Como se puede observar, existe un máximo de intensidad en el centro, por lo que se realizaron transformaciones alrededor de esta zona para excitar un nuevo modo de propagación de la antena⁵.

Después de una serie de transformaciones(pines en cortocircuito, adición de pequeños fragmentos de parche en forma de L, orificios cilíndricos, ranuras en forma de U, ranuras rectangulares, etc.), con una ranura en forma de herradura⁶ en el centro del parche se logró la creación de la nueva banda (Figura 4).

 

La resonancia en la nueva banda se obtuvo con las siguientes dimensiones en la herradura: radio exterior de la herradura de 3,5 mm, el radio interior de 3 mm y la separación entre ambas puntas es de 2,6 mm.

A continuaciónse muestra la nueva distribución de campo para 5.25 GHz, donde se puede apreciarla influencia de la herradura creada en la generación de la nueva banda (Figura 5).

En la Figura 6 se evidenciala existencia de la nueva banda en 5.2 GHz.

La Figura 6 muestra una pequeña disminución del parámetro S₁₁para la banda de 2.44 GHz, no obstante el valor alcanzado (-23.39 dB) es aún suficiente para garantizar buen acoplamiento. De igual manera se considera el resultado logrado en la banda de 5.25 GHz, que alcanza un mínimo de -17.2 dB. Por su parte los anchos de banda en 2.45 y 5.25 GHz son de 106 y 586 MHz respectivamente, suficientes para cubrir las bandas de Wifi de 2.4 (86 MHz requeridos) y 5.2 (200 MHz requeridos).

CARACTERÍSTICAS DE RADIACIÓN

En la Figura 7 se puede ver la uniformidad alcanzada en el patrón de radiación para 2.45 GHz, con directividad máxima de 7,33 dB y eficiencia de 66,8 %.

Por otro lado, el patrón para5.25 GHz aparece en Figura 8. La directividad alcanza un máximo de 7 dB y la eficiencia en esta frecuencia es de 59,6 %.

En este caso el diagrama presenta una pequeña deformación, pero se considera que con los valores de eficiencia y directividad obtenidos, los resultados para esta banda son aceptables⁷.

RANGO DE AJUSTABILIDAD

Se ha logrado que la banda de 5.25 GHz sea ajustable, con independencia total de la de 2.4 GHz.La variable que permite el corrimiento de la frecuencia central es la separación entre los bordes de la herradura. En Figura 9 se muestra cómo un aumento de esta separación provoca un desplazamiento a la derecha de la nueva banda.

Se comprobó mediante simulaciones, que esta banda es ajustable desde 4.95 hasta 5.70 GHz, lo que permite obtener relaciones de frecuencias f₂/f₁ desde 2.06 hasta 2.38 (ver Tabla 2).

FABRICACIÓN Y MEDICIÓN DE LA ANTENA

La Figura 10 muestra el diseño propuestofabricado en el Laboratorio del Instituto.

 

El parámetro S₁₁medido para esta antena aparece en rojo en Figura 11. Se obtuvieron valores de -19 dB para 2.4 GHz y -34 dB para 5.2 GHz. Para realizar esta medición se utilizó un Analizador Vectorial de Redes ZVB 20 (VNA, siglas en inglés), dispositivo que permite realizar barridos de frecuencia de 10 MHz a 20 GHz y cuenta con un ordenador integrado con Windows Xp para procedimientos automatizados⁸.

Es muy importante el hecho que los anchos de banda obtenidos son superiores a los mínimos requeridos para las aplicaciones de Wificorrespondientes (ver Tabla 3)⁹.

También se obtuvieron los patrones de radiación normalizados y se muestran debajo (Figuras 12 y 13).

Estas mediciones se realizaron en un ambiente exterior en un piso elevado, intentando simular espacio libre, y utilizándose como Generador de Señales(R&S SMF)conectado a una antena de bocina de banda ancha que opera en el rango de frecuencias analizadas y conectado a la antena diseñada, un Analizador de Espectro(R&S FSL).⁸

Como se ha podido apreciar, los resultados de las mediciones concuerdan en un aceptable por ciento con las simulaciones, lo que demuestra, una vezmás, la precisión de HFSS en este tipo de investigación y corrobora el correcto funcionamiento del dispositivo construido.

 

CONCLUSIONES

 

En esta investigación, se ha llevado a cabo y se haexplicado detalladamente el proceso de diseño de un modelo de antena doble frecuencia para las bandas de 2.4 y 5.2GHzde Wifi.Se comprobó que variando la apertura de la ranura creada en forma de herradura en el centro del parche del ejemplo mostrado, se logra ajustar la banda de 5.2 en un amplio rango de frecuencias, lo que permite que el diseño se pueda reajustar para otras aplicaciones.

Esta antena fue fabricada y medida y los resultados obtenidos fueron similares a los de las simulaciones. Además, se demostró que la antena construida presenta adecuadas características de radiación (ancho de banda, eficiencia, directividad, etc.) por lo que se considera que cumple los requisitos necesarios en ambas bandas para ser utilizada en las aplicaciones correspondientes.

También, se ha podido comprobar que, analizando la distribución de campo sobre el parche para la frecuencia de la banda de interésy realizando posteriormente las transformaciones pertinentes, se puede lograr multisintonía en antenas de microcinta.

 

REFERENCIAS

 

1. Milligan, T.A., T. A. Modern Antenna Design.

2. Balanis, C.A., Antenna Theory. Analysis and Design. New Jersey2005.

3. Leandro Acosta Alvarez, J. M. Z. I. (2011). Investigación delascaracterísticas deradiación de la antena de microcinta alimentada por proximidad. Comunicaciones Inalámbricas: 78.

4. Garg, R., et al., Microstrip Antenna Design Handbook. 2001, London: ArtechHouse, Inc. 2.

5. Wong, K.-L. (2002). Compact and Broadband MicrostripAntennas., John Wiley & Sons, Inc.

6. K. F. Lee, K. M. L., K. M. Ma, and S. L. S. Yang (2011). «On the Use of U-Slots in the Design of Dual-and Triple-Band Patch Antennas. »

7. You - Chieh Chen, S. - Y.C., and Powen Hsu, Modification of Radiation Patt erns of First HarmonicMode of Slot Dipole for Dual - Frequency Operation. 2012.

8. VÁZQUEZ, A.F., Analizador Vectorialde Redes ZVB20. Análisisdesuspotencialidades y desempeño, 2012, CUJAE.

9. A Technical Tutorial on IEEE 802.11 Standard BreezeCom Wireless Comunications.

 

 

Recibido: Abril 2014
Aprobado: Mayo 2014