Antenas

Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” CUJAE Facultad de Ingeniería Eléctrica. Asignatura: Antenas. Proyecto Final de Antenas Autores: Alain Nerey Musa Alain Villavicencio Lamas Andy Herrera Lao Brenda Fernández Soler Dariem Carballosa González Hamlet Pérez Cuellar Humberto Castellanos González Irania Moran González Mayo, 2014 “La práctica debe siempre ser edificada sobre la buena teoría.” Leonardo Da Vinci. Resumen: En el presente trabajo se analizan los procedimientos de diseño y simulación de algunas de las antenas más utilizadas en la actualidad: la Antena de Yagi-Uda, la antena Helicoidal, la antena Parabólica y la antena de Microcinta, así como la definición y utilización de la Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia. El trabajo de encuentra dividido en dos capítulos. En el Capítulo 1: Diseño y simulación, encontrará los diferentes tipos de antenas, con una breve descripción, utilización, ventajas y desventajas de cada una. Además de problemas de diseño, en los que se muestra el procedimiento de diseño durante su resolución. También se analizará la simulación de las antenas parabólicas y la de microcintas, con las herramientas de simulación PCAAD y HFSS, respectivamente. En el Capítulo 2: Cámara Anecóicas el lector conocerá sobre la necesidad del surgimiento de estas cámaras, así como su definición, principio de funcionamiento y ejemplos de cámaras anecoicas utilizadas en el mundo. I Abstract: In this paper the design procedures and simulation of some of the more antennas currently in use are discussed: The Yagi-Uda antenna, Helical antenna, Satellite dish antenna, Microstrip antenna, and the definition and use of: the RF Anechoic Chambers. The work is divided into two chapters. Chapter 1: Design and simulation: will find different types of antennas, with a brief description, use, advantages and disadvantages of each. In addition to design problems in which the design process is shown in its resolution. Simulation of satellite dishes and microstrip with simulation tools as HFSS PCAAD respectively will also be analyzed. Chapter 2: anechoic chamber: the reader will learn about the need for the emergence of these cameras as well as its definition, working principle and examples of anechoic chambers used in the world. II Objetivo Con la elaboración de este proyecto de Antenas, nuestro equipo tiene como principal objetivo aplicar lo estudiado en la asignatura para desarrollar antenas tan utilizadas como la Yagi-Uda, la antena Helicoidal, la Parabólica, la antena de Microcintas. Teniendo en cuenta los requerimientos que se desean y su aplicación en el momento de diseñar, optimizar, analizar y simular estas antenas. Este proyecto contribuirá en nuestra preparación para poder llevar a cabo un diseño de antenas real, que pudiera presentarse en la vida profesional de cualquier ingeniero en Telecomunicaciones. Además de profundizar en la utilización y la aplicación de las Cámaras Anecoicas en el proceso diseño y la optimización de antenas. III Contenidos: Introducción...................................................................................................... 1 Capítulo 1: Diseño y simulación ..................................................................... 8 1.1-La Antena Yagi-Uda .................................................................................. 8 1.2-Problema de diseño planteado para Yagi ............................................... 10 1.3-La Antena Helicoidal ............................................................................... 20 1.4-Problema de diseño planteado para antena helicoidal............................ 22 1.5-La Antena Parabólica .............................................................................. 26 1.6-Problema de diseño planteado para antena parabólica .......................... 28 1.7-Simulación de la antena parabólica con PCAAD .................................... 34 1.8-La Antena de Microcinta ......................................................................... 39 1.9-Problema de diseño planteado para antena de microcinta ..................... 41 1.10-Simulación de la microcinta con HFSS ................................................. 49 1.11-Conclusiones del capítulo ..................................................................... 50 Capítulo 2: Cámara Anecóicas ...................................................................... 53 2.1- Definición de una cámara anecoica de radiofrecuencia ......................... 54 2.2- Clasificación de las cámaras anecoicas................................................. 54 2.3- Funcionamiento de una cámara anecoica de radiofrecuencia ............... 55 2.4 Reparación de Transmisiones Sincrónicas ............................................. 25 2.4- Curiosidades sobre cámaras anecoicas ................................................ 63 2.5- Conclusiones del capítulo ...................................................................... 66 Conclusiones Generales ............................................................................... 67 Recomendaciones.......................................................................................... 67 Referencias Bibliográficas ........................................................................... 68 Anexos ............................................................................................................ 69 Anexo 1: Evolución de las Antenas ............................................................... 69 IV Introducción Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación específicamente diseñadas para radiar o recibir ondas electromagnéticas. Los sistemas de Comunicaciones utilizan antenas para realizar enlaces punto a punto, difundir señales de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles, entre otras aplicaciones. En este trabajo se analizan específicamente la antena Yagi-Uda, la Helicoidal, la Parabólica y la antena de Microcintas. Cuando se trabaja con antenas, siempre aparece la pregunta de cómo probar las mismas sin tener que acudir al terreno para montarlas, medirlas y comprobarlas. Con el avance de la computación, ha surgido también un nuevo concepto en el campo de las antenas, y es la simulación de las mismas, la cual se pondrá en práctica en este trabajo, ya que se ha convertido en una herramienta vital para los ingenieros. Con ella podremos comprobar los resultados, así como, lograr ver en cierta medida la parte práctica de la teoría estudiada. Un poco de Historia: Las teorías de las antenas surgen a partir de los desarrollos matemáticos de James C. Maxwell, en 1854, corroborados por los experimentos de Heinrich R. Hertz, en 1887, y los primeros sistemas de radiocomunicaciones de Marconi en 1897. La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901, desde Cornualles a Terranova. En 1907 ya existían servicios comerciales de comunicaciones. Desde la invención de Marconi, hasta los años 40, la tecnología de las antenas se centró en elementos radiantes de hilo, a frecuencias hasta UHF. Inicialmente se utilizaban frecuencias de transmisión entre 50 y 100 kHz, por lo que las antenas eran pequeñas comparadas con la longitud de onda. Tras el descubrimiento del tríodo por De Forest, se puedo empezar a trabajar a frecuencias entre 100 kHz y algunos MHz, con tamaños de antenas comparables a la longitud de onda. 1 A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos elementos radiantes (como guía de ondas, bocinas, reflectores, entre otras). Una contribución muy importante fue el desarrollo de los generadores de microondas (como el magnetrón y el klystron) a frecuencias superiores a 1 GHz. En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y tecnología de computadores tuvieron un gran impacto en el desarrollo de la moderna teoría de antenas. Los métodos numéricos se desarrollaron a partir de 1960 y permitieron el análisis de estructuras inabordables por métodos analíticos. Se desarrollaron métodos asintóticos de baja frecuencia (método de los momentos, diferencias finitas) y de alta frecuencia (teoría geométrica de la difracción GTD, teoría física de la difracción PTD). En el pasado las antenas eran una parte secundaria en el diseño de un sistema, en la actualidad juegan un papel crítico. Asimismo en la primera mitad del siglo XX se utilizaban métodos de prueba y error, mientras que en la actualidad se consigue pasar del diseño teórico al prototipo final sin necesidad de pruebas intermedias. Evolución: La mayor parte de los avances están relacionados con el uso de los ordenadores para el cálculo. Entre los que podemos mencionar el desarrollo de las herramientas de simulación, así como técnicas para los diferentes tipos de antenas entre las que podemos citar La transformada rápida de Fourier (FFT), Teoría Geométrica de la Difracción (GTD), Espectro Angular de Ondas Planas (PWS), Método de los Momentos, entre otros. En el Anexo 1 se pueden ver estos avances y otros más, que han constituido aportes importantes a la teoría de las antenas. 2 Estado del Arte Antenas de Yagi-Uda: La antena Yagi‐Uda es una antena estándar para obtener una alta ganancia con una estructura muy simple. La antena está compuesta de uno o más directores, un reflector y el dipolo radiante. Los diseños de antenas Yagi‐Uda tienen típicamente un espaciado entre elementos del orden de 0.15λ a 0.4 λ. Para algunas aplicaciones, es deseable reducir este espaciamiento entre elementos con el fin de obtener un modelo físicamente más pequeño. Un tipo de antenas que son pequeñas físicamente y con alta ganancia son las antenas Yagi‐Uda planares. Es importante menciona también que el desarrollo de las antenas planares Yagi‐Uda ha venido siendo impulsado por la implementación de redes inalámbricas como son las redes WiFi en la banda 2,45GHz y de 5.8GHz. Este tipo de redes requiere que la señal se mantenga libre de errores, lo que se hace en muchos casos es utilizar una antena omnidireccional pero en otros no es tan eficiente, ya que se radia energía a zonas que no son de interés, por lo cual entra a jugar un papel fundamental la antena Yagi‐Uda que por su directividad permite radiar energía a una zona determinada. En sus casi 100 años de existencia la antena Yagi‐Uda ha influido notablemente en la teoría de diseño de las antenas de alta directividad siendo aplicadas en campos de la vida diaria como la recepción de televisión, transmisión y recepción en enlaces punto a punto entre otros tantos. Antenas Helicoidales: Las antenas helicoidales fueron inventadas hace más de 50 años, tienen atractivas características tales como polarización circular, ganancia y simplicidad de construcción, por lo cual, son muy ocupadas en comunicaciones satelitales que operan a frecuencias por debajo de 6GHz, donde las ondas de polarización lineal son influenciadas significativamente por la Ionosfera. La antena helicoidal ha sido utilizada en comunicaciones satelitales para aplicaciones como televisión, telefonía, datos, se emplean tanto en Satélites como en estaciones terrenas. Puede ser utilizada sola, en arreglos o como alimentadores en reflectores parabólicos. 3 Los sistemas de comunicaciones satelitales son, en la actualidad un tema que está a la vanguardia, por tanto ha experimentado un gran desarrollo y continuamente busca la forma de superar o por lo menos brindar el mismo rendimiento que las comunicaciones mediante líneas de transmisión. Su creciente demanda impulsa al desarrollo de antenas más eficientes, altamente efectivas, de bajo costo, etc.; debido a que la antena pasa a formar parte primordial de estos sistemas. Las antenas helicoidales son incluidas en muchos Satélites como; satélites meteorológicos, Comsat, Fleetsatcom, GOES (Satélites de medio ambiente), Leasat, Navstar- GPS (Satélite de Posicionamiento Global). Satélites En los geoestacionarios FleetSatCom helicoidales se utilizan para antenas transmisión y recepción, también como alimentador del reflector parabólico. Antenas Parabólicas: Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parabólicas, los más extendidos son los siguientes: - La antena parabólica de foco centrado o primario, que se caracteriza por tener el reflector parabólico centrado respecto al foco. - La antena parabólica de foco desplazado u offset, que se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto al foco. Son más eficientes que las parabólicas de foco centrado, porque el alimentador no hace sombra sobre la superficie reflectora. - La antena parabólica Cassegrain, que se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras. 4 • Las investigaciones actuales sobre este tipo de antenas están dirigidas principalmente a su empleo en grandes radiotelescopios, en la recepción directa de señales de satélites, Bases terrenas para la comunicación con satélites, Radio enlaces, entre otros. En los que se realizan arreglos o agrupaciones de antenas parabólicas como los que se muestran: Antenas de Microcintas: Una antena Microcinta (conocida también como Microstrip) es un parche conductor que presenta por su tamaño y complejidad de construcción múltiples ventajas. La tecnología Microstrip en la cual están basadas las antenas tipo parche es el resultado de una evolución que desde sus inicios estuvo regida bajo el principio de realizar diseños de dimensiones reducidas tanto en antenas como en líneas de transmisión que pudieran ser acopladas a cualquier dispositivo. Las antenas de microcinta reciben considerable atención a partir de los 70, aunque la idea en sí, de la antena de microcinta puede ser localizada en 1953 y fue patentada en 1955. La tecnología Microstrip tardo en ganar auge, ya que estas estructuras al ser muy abiertas tenían amplias pérdidas por radiación y en particular cuando son utilizados en substratos de baja permitividad. 5 Mediante la tecnología fue avanzando y se fueron creando substratos de menores pérdidas, el uso de las líneas Microstrip fue avanzando ampliamente. El funcionamiento de esta antena está marcado por varios factores, como es la separación entre conductores, cuanto más dieléctrico, más eficiencia y cuanto más se parezca a 1 el E relativo del dieléctrico también. La anchura del parche va a marcar la resistencia de radiación así como otros factores tales como su eficiencia. Las aplicaciones más importantes de este tipo de Antenas, en la actualidad son: - Sistemas de teledetección (sistemas de radar a bordo de satélites). - Sistemas de posición global. - Antenas de móviles. - Aplicadores de calor en tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones. - Aplicaciones militares. - Aplicaciones para RFID. ¿En qué consiste un sistema RFID? RFID (siglas de Radio Frequency IDentification, en español identificación por radiofrecuencia) es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remoto que usa dispositivos denominados etiquetas, tarjetas, transpondedores o tags RFID. El propósito fundamental de la tecnología RFID es transmitir la identidad de un objeto (similar a un número de serie único) mediante ondas de radio. Las tecnologías RFID se agrupan dentro de las denominadas Auto ID (automatic identification, o identificación automática). Las etiquetas RFID son unos dispositivos pequeños, similares a una pegatina, que pueden ser adheridas o incorporadas a un producto, un animal o una persona. Contienen antenas para permitirles recibir y responder a peticiones por radiofrecuencia desde un emisor-receptor RFID. Las etiquetas pasivas no necesitan alimentación eléctrica interna, mientras que las activas sí lo requieren. 6 Una de las ventajas del uso de radiofrecuencia (en lugar, por ejemplo, de infrarrojos) es que no se requiere visión directa entre emisor y receptor. Las etiquetas RFID de UHF se utilizan comúnmente de forma comercial en seguimiento de envases, y seguimiento de camiones y remolques en envíos. Algunas autopistas, utilizan etiquetas RFID para recaudación con peaje electrónico. Las tarjetas son leídas mientras los vehículos pasan; la información se utiliza para cobrar el peaje en una cuenta periódica o descontarla de una cuenta prepago. El sistema ayuda a disminuir el entorpecimiento del tráfico causado por las cabinas de peaje. Sensores como los sísmicos pueden ser leídos empleando transmisoresreceptores RFID, simplificando enormemente la recolección de datos remotos. Una aplicación interesante y futurista: Implantes humanos: Los chips RFID implantables, diseñados originalmente para el etiquetado de animales se está utilizando y se está contemplando también para los seres humanos. Applied Digital Solutions propone su chip "unique under-the-skin format" (formato único subcutáneo) como solución a la usurpación de la identidad, al acceso seguro a un edificio, al acceso a un ordenador, al almacenamiento de expedientes médicos, a iniciativas de anti-secuestro y a una variedad de aplicaciones. Combinado con los sensores para supervisar diversas funciones del cuerpo, el dispositivo Digital Angel podría proporcionar supervisión de los pacientes. El Baja Beach Club en Barcelona (España) utiliza un Verichip implantable para identificar a sus clientes VIP, que lo utilizan para pagar las bebidas. El departamento de policía de Ciudad de México ha implantado el Verichip a unos 170 de sus oficiales de policía, para permitir el acceso a las bases de datos de la policía y para poder seguirlos en caso de ser secuestrados. 7 Capítulo 1: Diseño y simulación Capítulo 1: Diseño y simulación En este capítulo se muestran los procedimientos de diseño de diferentes tipos de antenas (Yagi, Helicoidal, Parabólica y microcinta), para una frecuencia/rango de frecuencias determinado, así como otros requerimientos para su diseño. Se describen, además, algunos aspectos teóricos sobre las antenas analizadas como su surgimiento, aplicación, ventajas y desventajas, entre otros. 1.1- La Antena Yagi-Uda: La antena Yagi inventada por el Dr.Ruano Hidetsugu Yagi de la Universidad Tohoku Kovak y su Imperial de ayudante, el Dr.Bafalluy Shintaro Uda (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención de avanzada a las antenas convencionales Kovak, produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, una antena de muy alto rendimiento. Como dato curioso encontramos que: La invención del Dr. Yagi (patentada en 1926) no fue usado en Japón en un principio, ya que el diseño de la antena no fue para implementarse en las comunicaciones sino para utilizarse en la guerra como un arma radioactiva. Yagi experimentaba con ratones a los que sometía a fuertes ondas de radio que eran concentradas gracias a la direccionalidad de la antena. Los resultados no fueron buenos para Yagi y abandonó el proyecto. Sin embargo fue aceptada en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó a la producción comercial, de los sistemas de difusión, TV y otros. El uso de esta antena en Japón solo comenzó a utilizarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando fue descubierto que la invención de Yagi, era utilizada como antena de radar por los ejércitos aliados. 8 Capítulo 1: Diseño y simulación Aplicaciones: • • Para Recepción de: - Señales de TV (VHF 30-300 MHZ), UHF(300-3000 MHZ) - Radio Difusión (FM 88-108 MHZ) Enlaces de Radio con visibilidad directa: - • Incluye Redes inalámbricas Enlaces en HF (3-30 MHz) Ventajas: - Alta Directividad y Ganancia. - Fácil construcción y montaje. - Bajo Costo. - Poca resistencia al viento. Desventajas: - Reducido ancho de banda. (Limitado principalmente por la variación de su Zen) 9 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.2- Problema de diseño planteado para Yagi: Diseñe, optimice (respecto a la ROE) y analice una antena Yagi - Uda para 138174 MHz con ganancias mínima de 9,2 dB, analice sus parámetros fundamentales suponiendo que la alimentación es mediante un coaxial de Zo = 75Ω. Datos Banda de frecuencias a cubrir: 138-174 MHz. Ganancia mínima: 9,2 dB. Alimentación mediante cable coaxial con Zo = 75Ω. Optimizar respecto a la ROE. Procedimiento de Diseño: - Frecuencia central: Dado el rango de frecuencias a cubrir se toma la mayor de estas como frecuencia central, debido a que el arreglo Yagi-UDA tiene como característica fundamental que la directividad no sufre cambios para frecuencias por debajo de la central y decrece rápidamente para frecuencias por encima de la central, entonces diseñarla para la f 0 =174 MHz nos garantizará cubrir todo el rango de frecuencias que deseamos sin deteriorar las características fundamentales de la antena. Problema 10.30 pág. 539 Tomo II y Figura 10.24 pág. 528 Tomo II. 14 Arreglo 12 Arreglo Óptimo Directividad 10 8 6 4 2 0.90 0.94 �0 = 174 ��� = 174 ∙ 106 �� 0.98 1.0 1.04 1.08 Frecuencia Normalizada (f/f0) 10 Capítulo 1: Diseño y simulación - Frecuencia central como la mitad: Si tomáramos una frecuencia central igual al centro del rango de frecuencias o igual a la media geométrica nos resultaría en lo siguiente: Frecuencia en el centro del rango: �01 = ��í� + � 156 ��� ��á� −��í� 2 � = 138 + � 174−138 2 �= Frecuencia con Media Geométrica: �02 = ���á� ∗ ��í� = √138 ∗ 174 = 154.95 ≅ 156 ��� Para esta frecuencia central tendríamos, al normalizarla, un rango igual a: 138 ��� 156 ��� … 174 ��� 156 ���  0.8846 … 1.115 Esto nos dice que, para una frecuencia central de 156 MHz, tendremos buenas características en la antena si las frecuencias son menores que la central pero decaerán bruscamente para frecuencias mayores que la central, según el grafico 10.24. - Frecuencia central como la máxima: Por el contrario si tomamos como f 0 a 174 MHz el rango normalizado será: 138 ��� 174 ��� … 174 ��� 174 ���  0.7931 … 1.00 Esto nos dice que, para una frecuencia central de 174 MHz, tendremos buenas características en la antena si las frecuencias son menores que la central y cubriremos todo el rango de frecuencias sin deteriorar los parámetros fundamentales de nuestro diseño. Longitud de onda [λ]: Con ayuda de la frecuencia central. �0 = �� � = � �√� ∙� � � � donde c es la velocidad de la luz en el espacio libre y es igual a 3. 108 m/s. Asumiremos que nuestra velocidad de fase es igual a la velocidad de la luz en el vacío. �0 = 3 ∙ 108 �/� 3 = ∙ 102 � = 0.01724� = 1.724 � = 172 .4 �� 174 ∙ 106 1/� 174 Directividad de la antena: La ganancia debe estar por encima o igual que 9.2 dB. Y como la ganancia es [� ∙�0] igual, según ecuación 2-50 de la página 60 Tomo I, �0 (��) = 10 ∙ ���10� donde e t es la eficiencia que tomaremos como 1 asumiendo dipolo sin perdidas que estará acoplado, a la directividad llevada a decibeles. �0 [��] = 9.2 �� 11 Capítulo 1: Diseño y simulación Elementos: Según tabla 10.6: Necesitaremos cinco elementos, 1 reflector, 3 directores y 1 elemento activo. d/λ = 0.0085 Longitud de YAGI-UDA EN λ S 12 = 0.2λ 0.4λ 0.8λ 1.20λ 2.2λ 3.2λ 4.2λ Longitud de Reflector (l 1 /λ) 0.482 0.482 0.482 0.482 0.482 0.475 0.442 0.428 0.428 0.432 0.428 0.424 l4 0.424 0.420 0.415 0.420 0.424 l5 0.428 0.420 0.407 0.407 0.420 0.428 0.398 0.398 0.407 l7 0.390 0.394 0.403 l8 0.390 0.390 0.398 l9 0.390 0.386 0.394 l10 0.390 0.386 0.390 l11 0.398 0.386 0.390 l12 0.407 0.386 0.390 l13 0.386 0.390 l14 0.386 0.390 l15 0.386 0.390 l16 0.386 l17 0.386 l3 Longitud de los directores. l6 Espacio entre directores. Directividad dipolo λ/2 [dB]. respecto Curva para diseño. 0.20 0.20 0.25 0.20 0.20 0.308 7.1 9.2 10.2 12.25 13.4 14.2 (A) (B) (B) (C) (B) (D) Separación del reflector respecto al elemento activo: �12 = 0.2�0 = 0.2 ∙ 1.724 � = 0.3448 � = 34.5 �� Separación entre directores. ��� = 0.2�0 = 0.3448 � = 34.5 �� Longitud total de la antena: � = 0.8�0 = 0.8 ∙ 1.724 � = 1.3792 � = 137.9 �� 12 Capítulo 1: Diseño y simulación Calculando las razones d/λ y D/λ y rectificar largo de los elementos: 3 Por razones prácticas todas las varillas serán de un diámetro de �� ≅ 0.95 �� = 8 3 0.0095 �. El boom será de �� ≅ 1.90 �� = 0.019 � 4 0.0095 � � = = 0.00551 1.724 � �0 Como la razón d/λ es distinta de 0.0085 como en la tabla 10.6 tenemos que rectificar las medidas con ayuda del gráfico 10.25 de la página 531 Tomo II. Para d/λ=0.0085  l3” = l5” = 0.428λ 0 , y l1” = 0.482λ 0 l1” l1’ 0.50λ Longitud del elemento l[en longitud de onda] (l/λ). l4” = 0.424λ 0 Reflectores A, B, C D l3” y l5” 0.45λ l4” Directores l3’ y l5’ l4’ 0.40λ 0.0055 0.0085 A B C D 0.36λ 0.001λ 0.002λ 0.003λ 0.01λ 0.02λ 0.03λ Diámetro del elemento d [en longitud de onda] d/λ 13 Capítulo 1: Diseño y simulación Para d/λ=0.00551  l3’ = l5’ = 0.438λ 0 , � λ0 y l1’ = 0.483λ 0 0.019 � = 0.011 1.724 � Entrando con D/λ en la figura 10.26 de la página 532 tenemos que cada elemento debe ser alargado en un ∆l =0.0072 . 0.030 Incremento para longitud optima de elementos parásitos (∆�/�) = l4’ = 0.430λ 0 0.025 0.020 0.015 0.010 D/λ calculada. 0.005 0.0 0.002 0.006 0.01 0.02 0.03 Diámetro del eje de la antena (Boom) D [en λ] D/λ 0.04 l3 = l5 = 0.438λ 0 + 0.0072λ 0 = 0.4452λ 0 = 0.4452 ∙ 1.724 � = 0.7675248� ≅ 76.75 �� l4 = 0.430λ 0 + 0.0072λ 0 = 0.4372λ 0 = 0.4372 ∙ 1.724 � = 0.7537328� ≅ 75.37 �� l1 = 0.483λ 0 + 0.0072λ 0 = 0.4902λ 0 = 0.4902 ∙ 1.724 � = 0.8451048� ≅ 84.5 �� 14 Capítulo 1: Diseño y simulación Elemento activo: Sera un dipolo sin doblar de longitud cercana a λ 0 /2. Según el libro en la página 514 último párrafo. Donde exponen que para obtener un arreglo de tipo ENDFIRE el elemento resonante debe ser un poco más pequeño que λ 0 /2. Aproximadamente entre 0.45λ y 0.49λ. Tomaremos 0.47. = 0.47 ∙ �0 = 0.47 ∙ 1.724 � = 0.81028� = 81.03 �� Con estos datos entramos al MMana y utilizamos la optimización priorizando el valor de ROE. El mástil de la Antena: Para estos diseños debe ser un Plexiglas no conductor de longitud igual a 3λ por encima del plano de tierra. Mástil: 3λ 0 = 3 ∙ 1.724 � = 5.172 � ≅ 517 �� Boceto de la antena [Antes de optimizar]: S12=34.5 cm S23=34.5 cm l1=84.85 cm S34=34.5 cm l2=81.03 cm S45=34.5 cm l3=76.93 cm 3λ=517 cm l4=76.24 cm l5=76.93 cm 15 Capítulo 1: Diseño y simulación Datos de la antena antes de optimizar: Para � = 900 : R: 16.19 Ω, jX: 34.07 Ω, SWR(75Ω): 5.62, Gh(dBd): 9.07, F/B(dB): -117.78, Ga(dBi): 11.22 Datos de la antena luego de optimizar priorizando ROE en la herramienta de simulación MMana: Para � = 900 : R: 51.41 Ω, jX: 21.16 Ω, SWR(75Ω): 1.66, Gh(dBd): 7.95, F/B(dB): -113.59, Ga(dBi): 10.1 16 Capítulo 1: Diseño y simulación Nuevas dimensiones de la antena optimizada priorizando ROE: Antes de Cambios que provocó la Dimensiones optimizar: optimización: optimizadas: l1 = ��. � �� Aumento en 1mm. l1 = ��. � �� l3 = ��. �� �� Disminuyo en 5 cm y 1 mm l5 = ��. �� �� Disminuyo en 5 cm y 1 mm. l2 = ��. �� �� Se mantuvo igual. l4 = ��. �� �� Aumento en 1 mm. l2 = ��. �� �� l3 = ��. �� �� l4 = ��. �� �� l5 = ��. �� �� Nota: Archivos de MMana guardados junto con el documento. El proyecto sin optimizar y el optimizado [Yagi-UDA.maa y Yagi-UDA_OPT.maa] 17 Capítulo 1: Diseño y simulación Comparación de ambos resultados: Diseño Optimizado. Diseño sin optimizar. Diagrama de corrientes: Diseño sin Optimizar Diseño Optimizado 18 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.3- La Antena Helicoidal: La antena helicoidal es una antena con forma de solenoide. Es una evolución del monopolo vertical, en la cual el monopolo vertical ha sido modificado para tomar la forma de un solenoide. Aplicaciones: - Antenas para walkie-talkies: son sumamente utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. En efecto, el hecho de enrollar el monopolo en forma de hélice reduce sensiblemente el largo de la antena, reduciéndola a dimensiones razonables. - Antenas para recepción satelital: son utilizadas en UHF para recibir señales satelitales (1575.42Mhz). En efecto, la polarización de la antena helicoidal es circular, lo que es sumamente favorable para la recepción de satélites. Estas antenas se fabrican con las espiras separadas un poco menos que el diámetro mismo de la hélice. - Antenas Halo: Caso límite de una antena helicoidal, se usan sobre todo en VHF. Son omnidireccionales y tienen buena ganancia. - Excitación de superficies reflectoras. - Sistemas de transmisión de televisión con polarización circular. Ventajas: - Alta ganancia. - Buena Directividad. - Gran ancho de banda. - El elemento reflector aporta una seguridad para la relación delante-atrás. - Se puede implementar a bajo costo y, además, se aumenta la ganancia ampliando el número de las espiras. 19 Capítulo 1: Diseño y simulación Polarización circular en dirección de su eje, la que permite independencia entre la calidad de los enlaces y la orientación de las antenas. Recordemos que la polarización no es más que la figura geométrica que describe el vector ��⃗ al avanzar en la distancia. La polarización circular ocurre cuando la amplitud de los campos es la misma y el desfase es ± 90° y se puede clasificar según el sentido del giro como: Las polarización circular pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras -90° o levógiras +90°), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena). 20 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.4- Problema de diseño planteado para antena helicoidal: Diseñe y analice una antena Helicoidal para trabajar en 400 MHz. Datos: � = 400 ��� Se diseña la antena para que trabaje con disparo axial y con polarización circular. A continuación se describe paso a paso el procedimiento de diseño empleado: 1- Comprobar si el Ancho de Banda es soportado por la antena aplicando: • Posibilidad de diseño: ��á� ��í�  1 ≤ 1,78 ≤ 1.78 Es posible realizar de diseño En este caso se cumple ya que se desea que la antena trabaje para una frecuencia fija: � = 400 ��� 2- Seleccionar la cantidad de vueltas, ya que no es un requerimiento del diseño, siempre teniendo en cuenta la mejor directividad: • Para ello necesitamos primero �, � � �0 : - Como se desea polarización circular la condición para C establece que: 3 4 ≤ � � ≤ óptimo 3 Buscamos �0 : �0 = � �0  4  �0 = � � = 1 para que el diseño sea 3∗108 400∗106 C- perímetro de la circunferencia S- espaciamiento entre vueltas �0 = 0.75 � �0 = �- longitud de onda de trabajo � = � = 0.75 Hacemos � = � = 0.75 y así cumplimos con las condiciones planteadas anteriormente. • También para lograr la polarización circular de la antena debemos hacer: �= � 4 tan � = Y debe cumplirse también : 12° ≤ � ≤ 14° tomamos: � �  � = cot � �  � = cot � � � 0.75/4 0.75 � � = 14° 21 Capítulo 1: Diseño y simulación Con todos estos datos podemos determinar la cantidad de vueltas más adecuada para el diseño, escogiendo el valor de � y analizando la directividad:  Para � = 5: �0 = 15 ∗ � ∗ �0 = 15 ∗ 5 ∗ �2 ∗� �3 �2 3 ∗ � � 4 �0 [��] = 10 log 18.75  Para � = 10: �0 = 15 ∗ � ∗ �2 ∗� �3 �0 = 15 ∗ 10 ∗ �2 �3 ∗ � 4 �0 [��] = 10 log 37.5  �0 = 15 ∗ 5 ∗ 0.752 0.752 �0 = 12.7 ��  �0 = 15 ∗ 5 ∗ �0 = 15.7 �� ∗ 0.752 0.752 1 4 ∗ 1 4 Nota: inicialmente el equipo de trabajo decidió escoger las 10 vueltas, por la alta directividad que se lograba, pero luego de realizar los cálculos del diseño detectamos que nuestra antena tenía una longitud total de 2 metros aproximadamente. Por lo que se decidió disminuir el número de vueltas a la mitad (5 vueltas), con el cual se obtiene un valor de directividad alto, que cumple con los requerimientos del diseño y además se obtiene una antena con dimensiones menores que la hace más manuable y fácil de instalar. 3- Buscamos la impedancia de entrada de la antena: • Aquí debemos saber que para el modo axial tiene un valor entre: 100 < � < 200 Ω y es puramente resistiva. � ≅ 140 � �  � � = 140 Ω � este valor se encuentra en el rango comprendido para el modo axial 4- Ancho de banda del haz de media potencia: ����° = ����° = 3 52∗�2 �∗√�∗�  52∗0.752 ����° = 5 0.75∗� ∗0.75 2 52∗√�3 � 4 �∗��∗ ����° = 46.51°  ����° = 52∗�√�2 5 0.75∗�2� 22 Capítulo 1: Diseño y simulación ����° = ����° = 3 115∗�2 �∗√�∗�  115∗0.752 ����° = 115∗√�3 � �∗��∗4  ����° = 115∗�√�2 5 0.75∗�2� ����° = 102.86° 5 0.75∗� ∗0.75 2 5- Diámetro del plano de tierra: � = 0.8 ∗ �  � = 0.8 ∗ 0.75 � = 0.6� 6- Espacio entre el plano tierra y la primera vuelta: � = 0.12 ∗ �  � = 0.12 ∗ 0.75 � = 0.09� 7- Diámetro del alambre: � = 2 ∗ � = 0.02 ∗ �0  � = 0.02 ∗ 0.75 � = 0.015� 8- Relación Axial: �� = 2∗�+1 2∗�  �� = 2∗5+1 2∗5 �� = 1.1 9- Longitud total de la antena: � =�∗�  �= 0.75 4 ∗5 � = 0.9375� 10- Analizamos el acoplamiento: • Debemos saber que ��� < 2 para que exista un buen acoplamiento, teniendo esto en cuenta, realizamos la comprobación para una línea de transmisión coaxial de �0 = 50Ω y para una de �0 = 75Ω, estos fueron los resultados obtenidos: 23 Capítulo 1: Diseño y simulación Para �0 = 50Ω: Γ= ��� − �0 ��� + �0 ROE = 1+|Γ| 1− |Γ|  Γ=  ROE = Para �0 = 75Ω: Γ= ��� − �0 ��� + �0 ROE = 1+|Γ| 1− |Γ| 140− 50 140+ 50  Γ= 1+0.474| 1− 0.474 140− 75 140+75  ROE = 1+0.302 1− 0.302 Γ = 0.474 ROE = 2.8 > 2 no es posible Γ = 0.302 ROE = 1.86 < 2 si es posible La antena diseñada presenta buen acoplamiento para líneas de �0 = 75Ω. Resumiendo, el diseño quedaría: Directividad 12,7 dB Frec. De trabajo 400 MHz Diámetro (D) 23.8 cm Espaciamiento (S) 18.75 cm Diám.Plano Tierra (B) 60 cm Espacio en Plano Tierra y 1ra vuelta 9 cm (g) Diám. alambre (d) 1.5 cm Núm. Vueltas (n) 5 Long. Total. (L) 937.5 cm Resistencia, ent (R) 140Ω Acoplamiento para líneas con �� = ��Ω 24 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.5- La Antena Parabólica: El origen de la antena con reflector se remonta a 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas que habían sido predichas por James Clerk Maxwell unos quince años antes. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc como el ilustrado en la figura 2, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como receptor. Las dimensiones del reflector de Hertz eran de 1.2 m de abertura por 2 metros de largo. Cuando se desea la máxima directividad de una antena, la forma del reflector generalmente es parabólica, con la fuente primaria localizada en el foco y dirigida hacia el reflector. Las antenas con reflector parabólico, o simplemente antenas parabólicas se utilizan extensamente en sistemas de comunicaciones en las bandas de UHF a partir de unos 800 MHz y en las de SHF y EHF. Entre sus características principales se encuentran la sencillez de construcción y elevada direccionalidad. La forma más habitual del reflector es la de un paraboloide2 de revolución, excitado por un alimentador situado en el foco como se ilustra en la figura: Aplicaciones: Uso intenso a partir de la II Guerra Mundial: - En radares y comunicaciones a frecuencias de microondas 25 Capítulo 1: Diseño y simulación Actualmente también se utilizan en: - Recepción directa de señales de satélite. - Grandes radiotelescopios. - Bases terrenas para la comunicación con satélites. - Radio enlaces. Como dato curioso encontramos: El uso de antenas con doble reflector ha ido en aumento en las últimas décadas y se utilizan bastante en comunicaciones espaciales y radioastronomía. La mayor antena de este tipo en el mundo es la de Arecibo, en Puerto Rico, cuyo subreflector original fue reemplazado en 1997 por uno de tipo gregoriano. El reflector principal tiene 300 metros de diámetro y es de tipo esférico. La antena es fija y el apuntamiento se consigue moviendo el subreflector en un plano normal al plano focal. Lo que permite al telescopio observar cualquier región del cielo en un cono de 40 grados alrededor del cenit local (entre -1 y 38 grados de declinación). La localización de Puerto Rico cerca del Ecuador le permite a Arecibo observar todos los planetas del Sistema Solar. Ventajas: - Permiten ser utilizadas a frecuencias altas - Tienen una ganancia elevada. 26 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.6- Problema de diseño planteado para antena parabólica: Diseñe una parábola con su alimentador para trabajar a 6.5 GHz y ganancia de 30 dB, analice sus resultados de forma aproximada utilizando el PCAD. Datos: �0 = 6.5��� y � = 30 �� Método de diseño de las antenas parabólicas: El método de diseño de las antenas de reflexión consiste básicamente en el cálculo del sistema alimentador (puede ser de tipo dipolo, bocina, etc.) según la ganancia o directividad que se desee y la frecuencia de trabajo de la antena y el cálculo de la geometría de la superficie reflectora (en nuestro caso una parábola) teniendo en cuenta la directividad antes mencionada. Esta metodología consta de los siguientes pasos: 1- Buscamos la longitud de onda de la antena: �= � �  3∗108 �= � = 4,61 �� 6.5∗109 2- Diámetro del reflector: Teóricamente 0 ≤ ��� ≤ 1 y por criterios de diseño este parámetro varía desde 0.5 � 0.6, por lo que decidimos tomar ��� = 0.55 Despejamos � en la ecuación de la ganancia: �[���] = 10 log ���� ∗ � � � = ∗ �� � ��� 10 10 ��� �∗� 2 � � � � � = 4.61 � 30 1010 ∗ �� � 0.55 � = 62.57 �� 27 Capítulo 1: Diseño y simulación 3- Analizando la relación entre la distancia focal y el diámetro del reflector (�/�): • �= d- diámetro del reflector 2 � 16�� f- distancia focal de la parábola dx- profundidad de la parábola Si tomamos 0.4 ≤ despejando quedaría: � � ≤ 0.6 , � � = 0.5 � = 0.5 ∗ �  lo tenemos calculado (diámetro del reflector) � = 0.5 ∗ 62.57 �� � = 31.28 �� �= �2 16�� �� = �2 16� despejamos ��:  �� = 62.572 16∗31.28 �� = 7.82 �� dx- es la profundidad de la parábola y deseamos calcular � que indica la distribución de energía de la parábola y debe ser entero e impar. Garantizando una distancia de λ/4 se introducirá un desfasaje de π en el recorrido de la radiación al incidir y reflejarse en el reflector parabólico más un desfasaje de π producido por el choque con la pared del mismo, luego se puede comprobar que la radiación del excitador y la de la parábola están en fase y por tanto se refuerza la radiación de la antena en su completa estructura. � � =�∗� � � = 27 • 4 � =4∗� � � =4∗� � � 4.61 �  para este valor reajustamos el valor de � 4.61 � = 27 ∗ � 31.28 4 � � = 31.11�� Graficando la parábola (trazado del perfil) según la expresión: �= �2 � � �4�∗ �  � = 2 ∗ �� ∗ √� = 11.18 ∗ √� 28 Capítulo 1: Diseño y simulación X 1 Y 2 3 4 5 6 7 8 9 11.18 15.81 19.36 22.36 24.99 27.38 29.57 31.62 33.54 4- Ancho del haz de media potencia del reflector:  ∆� = 70° ∗ � � ∆� = 70° ∗ � � � 4.61 62.57 � ∆� = 5.15° 5- Buscamos el semiángulo subtendido desde el foco hasta los bordes del reflector: �° = 2 ∗ tan−1 � � 4∗�  �° = 2 ∗ tan−1 � � 62.57 4 ∗ 31.28 � �° = 53.14° 6- Ancho del haz de media potencia del excitador: - Atenuación del espacio libre: ��� = 20 log �sec 2 � ��  ��� = 20 log[sec 2 (26.57)] �° 2 ��� = 1.94 �� Los criterios para la iluminación en los bordes son: • El nivel de la intensidad de campo en los bordes del reflector debe ser de -10dB menor con respecto al centro, si se quiere lograr máxima ganancia. • Si se considera importante el nivel de lóbulos laterales, entonces debe ser de -20dB menor que en el centro. El equipo de trabajo decidió garantizar un diseño para máxima ganancia por lo que se aplica el primer criterio anteriormente descrito: �[���] = −10 ��� �[���] = ��[���] � − ���  �[���] = |10| − 1.94 ∆�°��� = 2 ∗ � 3 �[���] � ∗ �°  ∆�°��� = 45.85° �[���] = 8.06 �� 29 Capítulo 1: Diseño y simulación 7- Diseño del iluminador tipo bocina piramidal: Selección de la guía de ondas que se puede utilizar: Para el proceso de selección de la guía de ondas más adecuada para este diseño nos apoyamos en la herramienta de simulación PCAAD, que cuenta con una base de datos con la descripción de diversas guías de ondas, la seleccionada para el diseño es: Denominación. WR-137 • Banda de trabajo Rango de Frecuencias. (GHz) C 5.85 – 8.20 Ancho. (a) Alto. (b) (cm.) (cm.) 3.485 1.580 Alimentador: debemos tener en cuenta que el ancho del haz de media potencia (−3 ��) en los planos E y H, en la práctica, se hacen coincidir con el haz de media potencia del excitador : ∆�°��� = ∆�� = ∆�ℎ por esto podemos obtener los valores de �1 y �1 a través de: � ∆�� = 54° ∗ � � �1 � ∆�ℎ = 78° ∗ � � �1 Como ∆�°��� = ∆�� = ∆�ℎ : �1 = �1 = 54° ∆�°��� 78° ∆�°��� ∗ �  �1 = ∗ �  �1 = 54° ∗ 4.61 �1 = 5.43 �� 78° ∗ 4.61 �1 = 7.84 �� 45.85° 45.85° 30 Capítulo 1: Diseño y simulación Ganancia del diseño dado los parámetros �1 y �1 : �[���] = 8.1 + 10 log � �[���] = 11.11 ��� Cálculo de �0 : ���� 10 �0 = 10 �1 ∗�1 �2 �  �[���] = 8.1 + 10 log �  �0 = 10 11.11 10 �1 2 � �= (7.84)2 4.61 4.612 � �0 = 12.91 Dimensión L (largo) de la Bocina: �≥ 7.84 ∗5.42 � = 13.33 �� Cálculo de �ℎ , �� , �ℎ , �� : Calculamos el valor de �� y �ℎ , que son los lados de la pirámide: � 2 � 2 �ℎ = ��2 + � 1 � 2 �� = ��2 + � 1 � 2 �ℎ = (�1 − �)�� 7.84 → �13.332 + � � 2 → �13.332 + � �ℎ 2 1 � − 4 �1 2 5.43 2 2 �   �ℎ = 14.44 �� �� = 13.87�� �ℎ = (7.84 − 3.485)�� 14.44 2 1 � − 7.84 4 �ℎ = 7.72 �� 31 Capítulo 1: Diseño y simulación �� 2 1 �� = (�1 − �)�� � − �1 4 �� = (5.43 − 1.580)�� 13.87 2 1 � − 4 5.43 �� = 9.64 �� Cálculo de la Directividad aproximada de la bocina piramidal: ��[��] = 10 ∗ �1.008 + log( � = 0.055 y � = 0.120 �1 ∗ �1 ) � − (�� (�) + �ℎ (�)) � De la gráfica obtenemos el error de fase: � y S �� (0.055) = 0.1 y �ℎ (0.120) = 0.2 Sustituyendo los valores tenemos: ��[��] = 10 ∗ �1.008 + log( 7.84∗5.43 4.61 ) � − (0.1 + 0.2)  ��[��] = 19.43 �� 32 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.7- Simulación de la antena parabólica con PCAAD: Al diseñar el iluminador tipo bocina y el reflector parabólico y comparar los resultados obtenidos con la simulación de los mismos a través del PCAAD podemos ver que los datos calculados y los del programa, son bastante semejantes: Magnitudes. Unidad de Datos Datos medida. calculados simulados. Reflector parabólico. Frecuencia (�� ) GHz 6.5 6.5 Diámetro (�) cm. 62.57 62.57 Distancia focal (�) cm. 31.28 31.28 Relación f/d. Adimensional 0.5 0.5 Ganancia. (�) dBi 30 31.1 Grados 53.14 ----- Grados 5.15 5.11 % 55 71.2 Ángulo máximo de apertura (�°) Ancho del haz de media potencia (∆�) Eficiencia de apertura (��� ) Iluminador tipo bocina piramidal. Ancho del haz de media potencia del plano E Grados 45.85 38.6 Frecuencia (�� ) GHz 6.5 6.5 dB 12.91 9.9 Apertura del plano H (�� ) cm. 7.84 7.84 cm. 5.43 5.43 (∆�°��� ) Ganancia (�� ) Apertura del plano E (�� ) 33 Capítulo 1: Diseño y simulación Longitud axial del plano E (�� ) Longitud axial del plano H (�� ) �� �� cm. 14.44 14.44 cm. 13.87 13.87 cm 9.64 9.64 cm 7.72 7.72 Resultados obtenidos con la simulación para una antena parabólica � = 6.5 ��� y � = 30 �� empleando el PCAAD: Parámetros del Reflector parabólico: 34 Capítulo 1: Diseño y simulación Patrón de radiación 2D de la parábola: Variación del parámetro de radiación: 35 Capítulo 1: Diseño y simulación Parámetros del alimentador tipo bocina piramidal: Patrón de radiación 2D del alimentador: 36 Capítulo 1: Diseño y simulación Patrón de radiación 3D del alimentador: 37 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.8- La Antena de Microcinta: Estas antenas han presentado un gran desarrollo en los últimos años. Y Pueden se definidas como una extensión de la línea de trasmisión Microstrip. Son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesférica. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elementos de un array. La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiación. Tipos de parche: En este trabajo nos centraremos en el diseño de una microcinta con parche rectangular: Ventajas: - Bajo perfil - Conformables a estructuras - Fabricación sencilla y barata - Robustas - Combinables con circuitos - Integrados de microondas - Versátiles en la elección de la frecuencia de resonancia o la polarización. Desventajas: - Baja eficiencia - Baja potencia - Alta Q - Pobre pureza de polarización - Banda estrecha 38 Capítulo 1: Diseño y simulación - Radiación espuria de las líneas Aplicaciones: - Trabajan en frecuencias: 400 MHz a 40 GHz - Antenas embarcadas en mísiles - Altímetros de radar en aviones - Antenas de exploración de radar en satélites - Sistemas GPS - Telefonía móvil - Comunicaciones móviles por satélite - Aplicadores de calor en medicina (hipertermia) - Etiquetas RFID: el diseño que se analizará más adelante será para utilizar la microcinta como RFID. 39 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.9- Problema de diseño planteado para antena de microcinta: Diseñe y simule una antena de Microcinta con parche rectangular (con una sola alimentación y con polarización circular hacia la derecha) para RFID de UHF. Datos Sustrato doble cara FR4 de εr=4.4, h=1.524 mm. Datos: Banda de frecuencias a cubrir: RFID (Radio Frequency IDentification) para UHF. 868 MHz. (Valor de frecuencia de trabajo estandarizado para UHF en RFID) Substrato doble cara FR4 de �� = 4.4 Alto del substrato ℎ = 1.524 �� = 0.1524 �� = 0.001524 �. Fracción del BW respecto a la frecuencia central de un 5% VSWR de 3:2. ROE=1.5. ∆� �0 = 0.05. Cable coaxial de 50Ω. Procedimiento de diseño: Ancho eficiente para el parche radiador: Utilizando la ecuación 14-6: �= �= �= 1 2∙�� ��0 �0 1 �� 1 � +1 2∙868∙106 ∙��0 �0 3.607∙10−10 = � �0 2∙�� 1 4.4+1 √8.854∙10−12 ∙4�∙10−7 = �� 1 Con �0 = 3 ∙ 108 �/�. � +1 = 5.76∙10−4 ∙10−6 ��0 �0 3.607∙10−10 = −19 √111.26∙10 ∙ 0.62622 3.607∙10−10 10.548∙3.1623∙10−10 3.607 ∙ 10−10 �= = 0.10814� ≅ 10.814 �� ≅ 108.14 � 10.548 ∙ 3.1623 ∙ 10−10 Permitividad Dieléctrica Efectiva: El dieléctrico de grueso h y permitividad relativa ε r se sustituye por un medio homogéneo de permitividad dieléctrica efectiva ε e . � t t �� � ℎ �� �������í� ���� ℎ �������í� ����������� 40 Capítulo 1: Diseño y simulación ����� = �� +1 2 + �� −1 �1 + 2 12∙ℎ −1/2 � � De esto se saca la λ de trabajo: � = ����� = 4.4+1 2 + 4.4−1 2 �1 + con 1 < ����� < �� �0 �� 12∙0.01524�� −1/2 10.814 �� � = 4.4 1 �[1+0.1691] = 4.069 Largo y Ancho efectivo y Frecuencia de resonancia: Debido al efecto de bordes [Fringing] las dimensiones eléctricas del parche son mayores a las dimensiones físicas de la antena en un factor que llamaremos ∆� que es función de la constante dieléctrica efectiva y de la relación W/h. ∆� ℎ = 0.412 ∙ ℎ = 0.412 ∙ ∆� ∆� ℎ = 0.412 ∙ ∆� 0.001524 � � ℎ ������ +0.3�∙� +0.264� � ℎ ������ −0.258�∙� +0.8� 4.369∙(70.958+0.264) 3.811∙(70.958+0.8) 311.169 273.4697 = 0.4688 0.07144 �� = 0.412 ∙ = 0.412 ∙ 10.814 +0.264� 0.1524 10.814 (4.069−0.258)∙� +0.8� 0.1524 (4.069+0.3)∙� 4.369∙(71.222) 3.811∙(71.758) = 0.412 ∙ 1.13786 = 0.4688  ∆� = 0.4688 ∙ 0.001524 � = 0.0007144 � = Largo del parche: ���� = � + 2∆� �= y 1 �= 2∙868∙106√4.35��0 �0 1 1 2∙�� ������ ��0 �0 − 2 ∙ 0.0007144 � = 1736∙106 ∙2.086∙10.548∙3.1623∙10−10 �= − 2 ∙ ∆� − 0.0014288 1 − 0.0014288 = 0.08279 − 0.0014288 120791.73 ∙ 10−4 = 0.08136� = 8.136 �� = 81.36 �� 41 Capítulo 1: Diseño y simulación �� = � + 2∆� = 0.08136 � + 2 ∙ 0.0007144 � = 0.08207 � = 8.207 �� = 82.07 �� Métodos de alimentación: Con líneas impresas [Línea de Microcinta]: Vista Superior. Vista Inferior. Vista Frontal. Sonda Coaxial: Vista Superior. Vista Inferior. Vista Frontal. Acoplamiento por apertura: Vista Superior. Vista Inferior. Vista por Capas. Acoplamiento por proximidad: Vista Superior. Vista Inferior. Vista por Capas. 42 Capítulo 1: Diseño y simulación Acoplamiento seleccionado: [línea de microcinta]: • Fácil de fabricar. • Sencilla para acoplar mediante el control de la posición de la inserción de la alimentación. • Radiación espuria baja (≈-20 dB). • BW estrecho (2-5%). • Si h↑, las ondas de superficie y la radiación espuria del alimentador↑. Nota: Para llevar a cabo la polarización circular y el acople de impedancia a la vez. Impedancia de entrada: �1 = �0 = �1 120�2 3 ∙ 108 3 � = = ∙ 102 = 0.3456� 6 868 � 868 ∙ 10 ����(�) �1 = −2 + ���(�) + � ∙ �� (�) + �0 = 2� �0 = 2� 0.3456� �= 2� 0.3456� � Con � = �0 ∙ �. ∙ 0.10814 � = 1.966 �1 = −2 + ���(1.966) + 1.966 ∙ �� (1.966) + �1 = 1.1756 �1 = ����(1.966) 1.966 = −2 − 0.385 + 1.966 ∙ 1.55778 + 0.49805 1.1756 = 0.000993 120� 2 �12 = �12 = 1.966 � ����� 2 ���(�)� � � ∫ ���(�) 120�2 0 1 1 � �����0.983∙���(�)� ∫ � 120�2 0 ���(�) 2 �0 �1.966 ∙ 0.08136 ∙ ����(�)�����3 (�) �� 2 � �0 �0.1599 ∙ ����(�)�����3 (�) �� �0 �0.1131 ∙ ����(�)� ≅ 1  �12 = 1 � �����0.983∙���(�)� ∫ � 120�2 0 ���(�) 2 � ����3 (�) �� 43 Capítulo 1: Diseño y simulación Utilizando el Derive 6.0: �12 = 1 120�2 ∙ 1.209800271 = 1.02 ∙ 10−3 R in con signo + con distribución del campo entre las secciones radiantes del modo dominante TM010 impar. 1 = 248.38Ω 2(0.000993 + 0.00102) Para acoplar con una línea de 50Ω. � � ��� (� = �0 ) = ��� (� = 0) ∙ ��� 2 � �0 � = 248.38Ω ∙ Cos 2 � � � � 0.08136 � 0 � � � 50Ω = 248.38Ω ∙ Cos2 � 0.08136 � 0 ��� (� = 0) = 0.08136 � 50Ω �∙ �0 = ��� −1 �� = ��� −1 �√0.2� ∙ 0.0259 = 0.0287� � 248.38Ω = 2.87 �� Hallamos W 0 : Con ayuda de Zc= 50Ω. Para �� � > �. �0 ≤ 1⎫ ℎ ⎪ ������ �� = �0 120 � ⎨ > 1⎬ � � ⎪ ⎪ ℎ 0 0 ⎩������ � ℎ + 1.393 + 0.667 �� � ℎ + 1.444�� ⎭ ⎧ ⎪ �� = 60 �� � 8ℎ �0 + � �0 4ℎ 120 � = 50Ω �0 �0 ������ � ℎ + 1.393 + 0.667 �� � ℎ + 1.444�� �0 �0 120 � − 1.393 = + 0.667 �� � + 1.444� 0.001524 � 0.001524 � 50Ω√4.35 44 Capítulo 1: Diseño y simulación �0 �0 + 0.667 �� � + 1.444� 0.001524 � 0.001524 � �0 �0 + 0.667 �� � + 1.444� − 2.22 = 0 0.001524 � 0.001524 � 2.22 = Graficando con el Derive 6.0: ≈0.0023 �0 = 0.0023 � = 0.23 �� = 2.3 �� Directividad: Calculamos g 12 (conductancia mutua normalizada) como: �12 = 1.097 � Calculamos la directividad del factor de arreglo: ��� = −0.2 �� Utilizando: �0 = � 2�� 2 1 �0 � �0 = � �1 2 1+�12 = �12 �1 2 = 1+1.097 0.00102 0.000993 = = 0.954 = y �1 = 1.1756 con � = 1.966 hallamos D 0 . 1 2� ∙ 0.10814 � 2 � = 3.29 = 5.17 �� 1.1756 0.3456 � Hallamos D 2 con: �2 = �0 ∙ ��� = 3.29 ∙ 0.954 = 3.139 = 5 �� 45 Capítulo 1: Diseño y simulación Polarización circular: Con recortes: Recortando dos esquinas opuestas del parche y alimentar en el punto 1 o 3 como se indica en la figura. c L L c W W 1 3 W0 y0 Nota: La distancia de recorte para las esquinas se obtiene por iteración. Empezando con una distancia de corte c = 1 mm y aumentando en 0.05 mm en cada iteración, se hace la simulación y se calcula la pérdida de retorno, cuando esta empiece a aumentar entonces se detiene el proceso iterativo y se toma el valor anterior para el recorte. 46 Capítulo 1: Diseño y simulación Perfil. D = 7.632 dB Qt = 8.333 Rin = 887.84 Ω. 1.524 �� 5.43 mm ����� = 4.35 125 mm Sin recortar: 5 mm 37.8 mm 119 mm 5.43 mm 2.3 mm 2.3 mm 2.3 mm 108.14 mm 28.7 mm 82.2 mm Recortado: c c c �1 = 1 �� . . . c 47 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.10- Simulación de la microcinta con HFSS: 48 Capítulo 1: Diseño y simulación 1.11- Conclusiones del capítulo: Después de realizar el análisis de los cuatro diseños anteriores podemos llegar a las siguientes conclusiones: 1- Antena Yagi-Uda: • Esta antena, se utiliza habitualmente en las bandas de HF, VHF y UHF en aplicaciones de radiodifusión de televisión, estaciones de radioaficionados y radioenlaces punto a punto. La nuestra, en particular, está diseñada para las frecuencias de 138-174 MHz, puede ser empleada para las siguientes aplicaciones: - Radioaficionados: entre 144 y 146 MHz, incluso 148 MHz. - Servicio radio marítimo: entre 156 MHz y 162 MHz, se encuentra la • banda de frecuencias VHF internacional reservada para estas labores. Para el diseño se tuvieron todas las especificaciones planteadas en el libro de texto de la asignatura, las dimensiones de los directores, el dipolo activo, así como la del reflector se encuentran entre las dimensiones • requeridas para lograr el diseño de la Yagi. Se realizó la optimización de la antena para mejorar la ROE, mediante del uso de la herramienta de simulación MMANA. Se pudo comprobar que para lograr una ROE óptima las dimensiones iniciales de los elementos • sufrieron cambios. Para la selección de los materiales se tuvo en cuenta sus propiedades, su costo, así como sus medidas. Estos pueden encontrarse fácilmente en nuestro país, lo que facilita su construcción. 2- Antena Helicoidal: • Esta antena, se utiliza habitualmente en las bandas de UHF en aplicaciones de estaciones de radioaficionados, recepción satelital, entre otros. La nuestra, en particular, está diseñada para las frecuencia de 400MHz, pero que puede cubrir aproximadamente frecuencias entre los 300 – 500 MHz, por lo que puede ser empleada para las siguientes • aplicaciones: Radioaficionados: que cuentan con bandas entre los 430 y los 440 MHz 49 Capítulo 1: Diseño y simulación • Durante la realización del diseño el equipo de trabajo pudo constatar que existe una relación de compromiso entre tener una antena con una alta directividad pero con dimensiones muy grandes, ya que la cantidad de vueltas también influye en el largo total de la antena. Por lo que recomendamos tener en cuenta en este tipo de antenas estas relaciones • de compromiso tan importantes, según la aplicación para la que se diseñe. Comprobamos una vez la eficiencia de esta antena debido a: su polarización circular, su ganancia, la cual crece en proporción al número de espiras (hasta un valor determinado), además el costo de su • implementación es muy bajo. Para la construcción de esta antena, se debe tener muy en cuenta parámetros como: su diámetro, la separación entre vueltas, el número de vueltas, de esta forma, se garantizará el funcionamiento de la misma. 3- Antena Parabólica: • La antena diseñada, se realizó cumpliendo con los métodos y criterios de diseño estudiados en clase. Para el iluminador se optó por la bocina piramidal, ya que estas se utilizan comúnmente como el elemento activo en una antena de plato. La antena bocina se coloca hacia el centro del plato reflector. El uso de una bocina, en lugar de una antena dipolo o cualquier otro tipo de antena en el punto focal del plato, minimiza la • pérdida de energía alrededor de los bordes del plato reflector. La antena diseñada para la frecuencia de 6.5 GHz se encuentra dentro de la Banda-C que comprende frecuencias de entre 3,7 y 4,2 GHz y desde 5,9 hasta 6,4 GHz. Fue el primer rango de frecuencia utilizado en transmisiones satelitales, siendo más confiable bajo condiciones adversas, principalmente lluvia fuerte y granizo. Al mismo tiempo, las frecuencias de Banda-C están más congestionadas y son más • vulnerables hacia interferencia terrestre. Esta antena puede ser utilizada como antena de un sistema de radar para realizar Seguimiento a distancias elevadas en aplicaciones de Meteorología (detección de precipitaciones (lluvia, nieve, granizo, etcétera)). 50 Capítulo 1: Diseño y simulación 4- Antena de Microcinta para RFID: • Se realizó un estudio del comportamiento de los parámetros fundamentales en función de las dimensiones físicas de la antena que nos permitió alcanzar algunas consideraciones y criterios para el diseño aplicado a RFID. Entre los que se encuentran por ejemplo: la necesidad de que exista polarización circular, para RFID, ya que se elimina el • problema de la orientación. Para alcanzar acoplamiento y relación axial adecuados para aplicaciones de polarización circular en este sistema radiante, es necesario seleccionar convenientemente las dimensiones y disposición de los cortes. La utilización de cortes posibilita la polarización circular en este tipo de antena con mayor flexibilidad; además permite obtener un tipo de • polarización circular deseado. Esta antena diseñada para cubrir la banda de UHF puede ser utilizada se utilizan comúnmente de forma comercial en seguimiento de palé y envases, y seguimiento de camiones y remolques en envíos o en sistemas de distribución de uniformidad en Hospitales HF (en Asturias - España) o incluso en la ropa plana, siempre y cuando el tag sea encapsulado en resina de epoxi, para mayor resistencia al proceso de calandrado y prenda • de extracción de agua. Sector textil-sanitario. Como hemos podido observar RFID tiene muchísimas aplicaciones en la actualidad y es evidente que irán en aumento en el futuro con el desarrollo de la tecnología, por lo que debemos conocerla y estar preparados para utilizarla como ingenieros. 51 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia El lugar más propicio para realizar la medida de uno o varios parámetros de una antena o de un circuito de microonda es denominado campo abierto ideal, cuya sigla en inglés es OATS (Open Area Test Site). Este sitio, de acuerdo con la norma ANSI C63.4-1992, es un lugar abierto, se caracteriza por ser de superficie plana, de terreno nivelado y limpio, que debe estar libre de interferencias y obstáculos, con excepción de los que se requieren para realizar la medida. A pesar de que estas clásicas instalaciones de ensayo al aire libre OATS sean una referencia de precisión de las medidas para un buen número de normas internacionales, sufren un problema endémico: las interferencias. Debido a la dificultad de encontrar una zona libre de interferencias e independiente de las condiciones climáticas, aparecen para solventar este problema las cámaras anecoicas, ya que generan con gran exactitud las condiciones de propagación en el espacio libre, evitando así las interferencias. Por esto, se dice que las cámaras anecoicas tienen una misión bidireccional: atenuar las interferencias externas para evitar su influencia en el interior mediante el respectivo apantallamiento, y atenuar los campos generados en el interior, que podrían afectar la medición mediante materiales absorbentes a las ondas electromagnéticas. 53 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia 2.1- Definición de una cámara anecoica de radiofrecuencia: Cámara Anecoica es un recinto que absorbe la energía que incide sobre sus paredes. Esta consta de dos partes fundamentales: la jaula de Faraday y los materiales absorbentes de ondas electromagnéticas. La jaula de Faraday es una estructura completamente apantallada con la que se consigue una atenuación de los campos incidentes, como se puede observar. Interiormente se la recubre de materiales absorbentes electromagnéticos para darle propiedades de absorción, simulando características de espacio libre. La finalidad de los materiales absorbentes es “hacer transparentes” las paredes de la cámara a los campos electromagnéticos y evitar las posibles reflexiones indeseadas. Los absorbentes pueden ser de tipo ferrita, con mejores coeficientes de reflectividad a bajas frecuencias (30 – 1000MHz.) o tipo piramidal, con mejores reflectividades a altas frecuencias (1 – 40GHz.). Los materiales absorbentes tipo piramidal son generalmente fabricados de espumas (polímeros) impregnados con carbón. 2.2- Clasificación de las cámaras anecoicas: Las cámaras se pueden clasificar en: - Anecoicas: en estas se necesita que no exista ningún tipo de reflejo en la zona de silencio (región que generalmente es 1/3 del ancho de la cámara y es donde se ubica el dispositivo a medir). - Semianecoicas: con estas se desea simular un espacio abierto sobre un plano de tierra metálico. 54 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia - Parcialmente cubiertas: en este tipo de cámara el absorbente se usa para reducir las resonancias de la cámara. Esta última categoría no es puramente una cámara anecoica, pero son puramente utilizadas por estándares militares y de aeronáutica para medir la compatibilidad electromagnética de aparatos electrónicos. 2.3- Funcionamiento de una cámara anecoica de radiofrecuencia: El principio de funcionamiento de una cámara es similar al de una línea de transmisión que presenta una impedancia característica de 377 ohm, esto ocurre cuando una onda incide de manera perpendicular en una de las paredes de la cámara, la antena que interviene en la medición puede ser modelada como una fuente de voltaje. Una cámara que presente pocas reflexiones se puede modelar como una línea de transmisión que termine en cortocircuito añadiéndole láminas revestidas con una sustancia que proporcione una resistividad de 377 ohm para posibilitar que la onda sea absorbida y atenuada lo suficiente, generalmente estas láminas son ubicadas a una distancia de λ/4 de la pared. Estos fueron los primeros enfoques relacionados con el funcionamiento y optimización de las cámaras anecoicas. Cuando está siendo probada, un campo de prueba fluye transversalmente de un lado al otro de la cámara y a través del centro de la región de prueba. Se detecta una fuente de energía extraña, energía reflejada por las paredes, ésta obliga a cambiar su fase con respecto a su trayectoria directa. Debe ser considerada la energía reflejada desde las superficies para determinar la cantidad de energía reflejada que alcanza la región de prueba vía estas superficies. También debe ser considerada la directividad de la antena fuente o patrón, porque el nivel de iluminación sobre las paredes laterales está en función del ángulo del lóbulo principal de la antena patrón. 55 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Dimensionamiento de la cámara: Las dimensiones de la cámara se determinan en base al rango de frecuencia de trabajo y el tamaño de las antenas. En base al espacio disponible para la construcción de la cámara y por facilidad para colocar las planchas de polietileno con las dimensiones disponibles en el mercado. Se pueden encontrar grandes construcciones para altas frecuencias y pequeñas construcciones para bajas frecuencias. El tamaño de la cámara determina el tipo de prueba que se puede realizar dentro de ella, por ejemplo las cámaras de pequeñas dimensiones se utilizan específicamente para realizar pruebas sobre Antenas. Para mediciones directas de la radiación en el área de Fraunhofer existen dos tipos principales de cámaras: Las rectangulares y las piramidales. El primer factor que determina el tamaño de una cámara rectangular es el diámetro de la zona de silencio. La longitud de la cámara debe ser tal que permita a la antena receptora estar en la región de Fraunhofer de una antena cuyo tamaño sea igual al diámetro de la zona de silencio. Esta distancia puede ser calculada empleando la siguiente ecuación: ���� = 2�2 ��2 Donde D es el diámetro de la zona de silencio y λ es la longitud de onda de la frecuencia más baja de operación. A esta distancia hay que añadir el diámetro 56 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia de la zona de silencio y el espesor del absorbente a utilizar. El desempeño óptimo de las cámaras rectangulares está dado por el tratamiento que se le da al material absorbente, ya que si la onda electromagnética incide con un ángulo cercano a la normal a la superficie, más atenuación se conseguirá de la misma y por ende menos nivel de señal aparecerá en la zona de silencio. A frecuencias inferiores a 5000 Mhz el absorbente en las paredes debe ser muy grueso debido a que la ganancia de las antenas a esa frecuencia no es muy alta y gran parte de la energía radiada ilumina las paredes laterales, una solución podría ser disminuir el ángulo de incidencia para aumentar la absorción pero esto provocaría un aumento del tamaño de la cámara y a su vez el costo. Para ello surgieron las cámaras con forma piramidal, donde la onda reflejada en el área especular no se elimina, sino que se utiliza para crear un comportamiento de onda plana en la zona de silencio, esta zona especular se localiza cerca de la antena receptora. Para crear el comportamiento de onda plana el rebote (de una sola reflexión) en las paredes laterales de la zona más estrecha de la cámara crea un conjunto de ondas directas y reflejadas paralelas, lo cual da el comportamiento de onda plana, como se muestra en la figura: El ancho y el alto de la cámara se basan exclusivamente en el diámetro de la zona de silencio, el largo de la cámara debe ser tal que el ángulo de la estructura piramidal sea de 28 grados. Aunque este tipo de cámaras pueden ser empleadas para todo tipo de frecuencias, a frecuencias altas el posicionamiento de la antena receptora es crítico debido a que la separación (en términos de longitud de onda) entre la antena receptora y el área especular cambia con la frecuencia, por lo que este tipo de cámaras es bueno para mediciones donde se hagan barridos de frecuencia. 57 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Para el diseño de una cámara es necesario tener en cuenta parámetros generales como son: - Tipos de mediciones a ser realizadas - Bandas de frecuencias de operación - Espacio físico disponible - Método de recepción para pruebas y el costo. Además se deben tener en cuenta los siguientes factores: - Ecuación de campo lejano: debido a que los campos radiados por una antena cambian con la distancia y llevan asociado dos tipos de energía (energía radiada y energía reactiva), la energía reactiva prevalece en la zona cercana a la antena, mientras que en la zona lejana se encuentra en gran medida la energía asociada a los campos de radiación, la cual se estudia como solución de onda plana ya que a una distancia lo suficientemente grande en relación con la longitud de onda los campos formados se aproximan al frente de onda como una superficie plana. - La menor y mayor frecuencia de operación de la antena patrón - Equipos con la correspondiente selección del material absorbente a utilizar. - El peor caso de nivel de señal en la región de prueba se estima mediante el método del trazado de rayos, el cual es considerado el método convencional para determinar el ángulo de incidencia. Este método plantea que la energía puede propagarse desde la antena patrón hacia la región de prueba por varios trayectos debido a que el absorbente no es ideal, varios de estos trayectos se muestran en la figura: 58 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Los rayos más importantes que alcanzan la región de prueba son: el rayo de trayectoria directa desde la antena patrón hacia la región de prueba, rayos especulares con reflexión simple desde las paredes laterales (incluyendo el techo y el piso) y rayos de dos saltos que golpean ambas, las paredes laterales y la pared del final también son considerados. Los rayos de más de tres rebotes no son considerados ya que el rayo es atenuado cada vez más en cada punto de inflexión. 59 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Cada uno de los rayos puede ser analizado como si hubiese provenido de una imagen de la antena patrón. Las imágenes asociadas con reflexiones de un solo salto son simplemente la imagen del reflejo de la antena patrón en la pared lateral que el rayo golpea, es decir como si pudiese ver su reflejo en un espejo. Las imágenes asociadas con reflexiones de doble salto son formadas por la imagen de la antena patrón proyectadas en una extensión de la pared del final de la cámara. Una ventaja del concepto de imagen es la facilidad con que los rayos pueden ser dibujados. La línea que une cada imagen de primer orden con la antena real es perpendicular a la respectiva pared, y la antena real y su imagen son equidistantes de la pared. Esto provee una geometría simple para calcular el ángulo de incidencia en el absorbente. De acuerdo con la figura, se puede determinar el nivel de atenuación que presentará la señal debido al ángulo de incidencia con que impacte la onda en el material absorbente. Requerimientos del absorbente: Determinado el tamaño de la cámara, se debe determinar el forro anecoico requerido para alcanzar la reflectividad deseada o nivel de energía reflejada en la región de prueba. Un requerimiento común para cámaras de pruebas es que la reflectividad este en el rango de -30 dB a -40dB. Y conociendo el valor del ángulo de incidencia y con el apoyo de lo siguiente gráfica se puede obtener el espesor del material absorbente. 60 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Consideraciones adicionales: La antena patrón debe estar alineada para que la cresta de su lóbulo principal este dirigida hacia el centro de la región de prueba, para iluminar las paredes con amplitudes de señal más débiles. La relación de apariencia de la cámara es W > R 2 , necesaria para que el ángulo de incidencia en las paredes adyacentes, piso y el techo estén en el orden de < 60 grados. Este último requerimiento determina el ángulo de llegada del frente de onda incidente. Esto influye en nivel de atenuación experimentada por la señal dispersada dentro de la región de prueba. El diámetro de la región de prueba debe estar en el orden de W/3. La región de prueba es el volumen de prueba o zona de silencio, sobre el cual la reflectividad de la cámara es especificada, y debe ser mayor en diámetro que la antena a ser probada. 61 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia Otros aspectos a tener en cuenta: - Diseño de las pirámides (según el tipo de cámara): generalmente de calcula el número de pirámides por piezas según la frecuencia de trabajo. - Determinar el área especular: esta es el área que debe ser cubierta con el absorbente y que básicamente depende de la geometría de la cámara, la frecuencia de operación más baja y las características del absorbente. - Conocer cuales materiales absorbentes de energía electromagnética que existen a nivel industrial y escoger el más adecuado a la cámara que se desea construir: Los materiales que se utilizan para absorber campos eléctricos deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistividad dieléctrica y bajo factor de pérdida. Pero la constante dieléctrica debe ser baja para poder impedir la polarización y así no almacenar carga localmente en el material. Los materiales que ofrecen mejores características de absorción son los polímeros.(por ejemplo: carbón) Adquisición de datos en una cámara anecoica: Un sistema de adquisición de datos y posicionamiento para una Cámara Anecoica asegurará que los datos que se tomen dentro de ella sean los más óptimos y que se puedan realizar diferentes pruebas con los elementos que se encuentran dentro de ella. Los componentes dentro de la cámara anecoica son dos antenas, la antena patrón y la antena bajo prueba, que se encargan de generar y recibir la señal. Esto lo realizan mediante equipos que se encuentran en el exterior de la cámara. 62 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia 2.4- Curiosidades sobre cámaras anecoicas: Presentamos algunas de las cámaras más grandes que existen, junto a las más curiosas. En ellas se realizan todo tipo de investigaciones, experimentos militares y del espacio exterior: 1- La cámara anecoica más grande del mundo: Los laboratorios Benefield son la mayor cámara anecoica del mundo, está llena de materiales absorbentes de radiación: 816.000 conos de espuma diseñados para minimizar la reflexión de las señales de radio frecuencia. Las pruebas tienen que realizarse con aviones a escala natural, con lo 63 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia que tuvo que crearse como un hangar para aviones. Está ubicada en el desierto de Mojave, California. 2- Ingravidez dentro de una cámara anecoica: La persona del centro de la cámara parece flotar sobre el aire, ya que el piso está formado por una red metálica que permite no tocar los conos. Las cámaras tiene está red y cuando entras por primera vez en una de ellas experimentas una extraña sensación de ingravidez. La vista percibe que estas flotando, ya que por debajo de tus pies aún queda un espacio de aire y los conos están más abajo. Está es una de las más grandes que se han construido y está situada en el Nacional Metrology Institue of Japan. 64 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia 3- Misiles invisibles: Esta es la cámara anecoica del Radar Reflectivity Lab, del centro Naval Air Warfare Center, en Point Mugu en el estado de California. Esta cámara es espectacularmente grande, mide 46 x 46 m de base y 18 m de altura. Y en ella se realizan medidas con misiles reales. 4- Cámara europea para satélites: Las investigaciones sobre el espacio requieren de reproducir los mismos ambientes que van a tener. A nivel científico lo más parecido al espacio exterior es una cámara anecoica. 65 Capítulo 2: Cámaras Anecoicas de Radiofrecuencia 5- Cámaras a medida: Estas cámaras se construyen a medida para estudiar como ciertos tipos de aviones no impiden el funcionamiento del sistema de radar. 2.5- Conclusiones del capítulo: La cámara anecoica es, en consecuencia, la forma más precisa para realizar mediciones de campo en cualquier banda de frecuencia (UHF, VHF, TETRA, GSM, GPRS, 2G, DCS, UMTS, 3G, GPS, WiFi, WiMAX, ZigBee,…) permitiendo obtener con total precisión la ganancia y el diagrama de radiación de una antena. Es por ello, una herramienta esencial para el sector de la ingeniería de telecomunicaciones inalámbricas, ya que permite la medición y comprobación de las emisiones electromagnéticas de antenas y módulos de telecomunicación inalámbrica, tales como: terminales móviles (smartphones, PDAs, tablets, navegadores GPS, ordenadores, etc.), módems, routers, repetidores o inhibidores de frecuencia, entre otros. 66 Conclusiones Generales: Con los diseños de las diferentes antenas que se han mostrado en este trabajo, se han aplicado los procedimientos de diseño y la teoría estudiados durante el semestre y también nos permitió comprobar las aplicaciones de las antenas estudiadas. Además de conocer la utilidad de las cámaras anecoicas en la realización de pruebas y comprobaciones para las antenas y demás equipos de radiofrecuencia. Este ejercicio le permitió también al equipo de trabajo determinar decisiones lo que nos dio una visión más amplia sobre cuáles eran las opciones de diseño para lograr antenas mejores, apoyándonos en las herramientas de simulación, por lo que podemos concluir que: este proyecto nos ha preparado para enfrentar los retos, que se nos puedan presentar como ingenieros, relacionados con el mundo de las antenas y las comunicaciones por ondas de radio. Recomendaciones: Se recomienda continuar con el estudio y la investigación de las temáticas abordadas en el trabajo, ya que por su importancia para los ingenieros en Telecomunicaciones, es un tema en el que se debe tener un dominio amplio de la teoría de las Antenas y además debemos estar actualizados con los últimos acontecimientos e investigaciones. 67 Referencias Bibliográficas: Balanis, C. A. (1997). Antenna Theory Analysis and Design. Canada: John Wiley & Sons. Conferencias de Antenas. (2014). Miguel Ferrando, A. V. (s.f.). Antenas. Valencia: Dep. Comuniaciones. Universidad Politécnica de Valencia. Milligan, T. A. (2005). Modern Antenna Design. Canada: John Wiley & Sons. Mónica López Campos, P. B. (23 de mayo de 2014). Implementación de una cámara anecoica en la banda de. Implementación de una cámara anecoica en la banda de. Pedro Arzola Morris, C. A. (mayo-agosto, 2013). Diseño de cámara anecoica rectangular para radiofrecuencia. Revista Telem@tica Vol. 12. No. 2, p. 12-22. Peregrinus, P. (1989). Handbook of Miscrostrip Antennas. England: IEEE Electromanetic Waves Series 28. Ramesh Garg, P. B. (2001). Microstrip Antenna Design Handbook. London: Artech House. RF Ingenium Antenas. (10 de mayo de 2013). Obtenido de RF Ingenium Antenas: http://rfingeniumantenas.wordpress.com Rico, J. F. (2014). Estado del arte en el estudio de antenas planares Yagi‐Uda. Bogotá: Laboratorio de Comunicaciones de la Universidad Nacional de Colombia. 68 Anexos Anexos: Anexo 1: Evolución de las Antenas La transformada rápida de Fourier (FFT). El campo radiado por una apertura se puede calcular como la transformada de Fourier de los campos en la apertura. El cálculo de dicha transformada no es siempre posible de una forma analítica. El tiempo empleado en el cálculo directo de la integral es excesivo. El algoritmo de la FFT permite reducir de forma drástica dicho tiempo. Teoría Geométrica de la Difracción (GTD). Recientemente se ha desarrollado la técnica denominada GTD que permite analizar el efecto en los campos radiados debido a los bordes y vértices. Complementa al método de Kirchhoff. Espectro Angular de Ondas Planas (PWS).Se basa en la expansión modal de los campos en el dominio espectral. El uso del algoritmo de la FFT permite reducir el tiempo de cálculo. Se puede utilizar en problemas de difracción. Método de los Momentos. Es un método numérico que permite el análisis de antenas, mediante la discretización del problema, y la resolución del sistema de ecuaciones resultante. Varios programas (NEC) y (MININEC) utilizan dicho método para el cálculo de la radiación y difracción de antenas de hilo. Arrays de barrido de fase En un array de barrido de fase se puede controlar la forma del diagrama de radiación mediante el control de la fase de cada una de las antenas que lo componen. Los últimos avances en este tipo de antenas se han producido en todas las áreas tecnológicas. Concretamente se pueden citar: Mejora de los desfasadores y divisores de potencia en las redes de distribución. Utilización de microprocesadores para el control óptimo de la fase y amplitud para conseguir un diagrama con unas características prefijadas. 69 Anexos Mejora de las técnicas de análisis, concretamente en lo que afecta a los efectos mutuos entre los elementos de la agrupación ya la cuantización de la fase debido a los desfasadores digitales. Desarrollo de la técnica de agrupaciones adaptativas, que son capaces de maximizar la relación de señal a interferencia, o bien situar nulos en las direcciones del espacio en las que hay interferencias. Mejoras en la tecnología de circuitos integrados de microondas, amplificadores de bajo ruido, amplificadores de potencia y circuitos monolíticos, que permiten la realización de antenas distribuidas. Desarrollo de nuevas técnicas de fabricación, como la de las antenas microstrip, que permiten la integración de las antenas con la circuitería, así como arrays conformables. Antenas adaptativas El término Antena adaptativa se aplica a los arrays que son capaces de ajustar su diagrama de forma prefijada, dependiendo de las fases y de las amplitudes recibidas desde fuentes externas. El ejemplo más típico de una antena adaptativa es la denominada SLC (Sidelobe canceller antenna), que ajusta el diagrama de forma que aparece un nulo en la dirección de la interferencia o jammer. Una antena como la indicada consiste en una antena de elevada ganancia y varias antenas auxiliares con un diagrama prácticamente omnidireccional. El número de antenas auxiliares determina el máximo número de interferencias que se pueden cancelar. Otro ejemplo es el denominado SLB (sidelobe blanking antenna). En este caso se compara la señal recibida a través de la antena principal y la antena auxiliar. Se desconecta el receptor cuando la señal que llega es superior en el canal auxiliar. Los algoritmos matemáticos relacionados con las antenas adaptativas son relativamente complejos. La implementación práctica se puede realizar en forma analógica o digital, aunque últimamente se está imponiendo la tecnología digital. 70 Anexos El objetivo básico en la actualidad es la reducción de los tiempos de convergencia de los algoritmos y la obtención de arrays superdirectivos, con un gran poder de resolución. Antenas de apertura sintética Se denomina apertura sintética al método que permite sintetizar un array de grandes dimensiones a partir del movimiento lineal de una antena relativamente pequeña, transportada por un avión o un satélite. La apertura es sintetizada, ya que no existe en realidad. Se obtienen anchos de haz muy estrechos, elevada ganancia y por lo tanto una gran resolución a partir de una antena pequeña. Los datos obtenidos se deben procesar posteriormente. Históricamente se aplicaba el procesado óptico de la información, siendo en la actualidad procesados digitalmente. Se puede conseguir una gran resolución mediante técnicas de focalización y mediante técnicas de compresión de pulsos. Las aplicaciones más importantes se centran en la realización de mapas y la detección de recursos naturales. Antenas de bajos lóbulos En muchas aplicaciones se requiere que la antena tenga un nivel de lóbulo principal a secundario extremadamente bajo. Dicho parámetro es importante en antenas de radar, a fin de reducir los efectos del clutter, pero sobre todo para minimizar las posibles interferencias o jammer. En aplicaciones de comunicaciones, una antena con lóbulos bajos permite que se utilice la misma frecuencia en dos satélites. 71 Anexos En los últimos años se han podido conseguir antenas con márgenes entre 40 y 50 dB, mientras que no hace mucho se consideraba que una antena con 30 dB de relación de lóbulo principal a secundario era excelente. Los puntos claves que han permitido dichos avances han sido el cálculo numérico, teniendo en cuenta los efectos mutuos y las técnicas avanzadas de producción, con tolerancias muy estrictas en la construcción del array o del reflector. Comunicaciones espaciales Las antenas para comunicaciones espaciales han evolucionado mucho en los últimos años, siendo la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Norteamericana (NASA) las dos organizaciones responsables de los avances en dicha materia. Las antenas han evolucionado desde las de cobertura global, para satélites no estabilizados, hasta las de gran ganancia en los satélites en órbita geoestacionaria. Dichas antenas deben ser de banda ancha, con bajos lóbulos, de elevada ganancia, y además últimamente se está exigiendo que sean reconfigurables, con haces controlables desde tierra, y con haces conformados. Se han desarrollado nuevas tecnologías que permiten lanzar satélites con grandes antenas, basadas en dos conceptos: antenas desplegables y antenas hinchables. También se han desarrollado nuevos procesos para la construcción de paraboloides con elevadas tolerancias y bajo peso, como la tecnología de la fibra de carbono. Las antenas empleadas son básicamente reflectores, con múltiples alimentadores en el plano focal, con redes de distribución pasivas. La tendencia 72 Anexos actual va hacia las grandes agrupaciones activas, con control total de la amplitud y de la fase de todos los elementos del array. Radioastronomía Los avances recientes en antenas de radioastronomía se centran en la mejora de la resolución, mediante el uso de interferómetros de muy larga base VLBI, utilizando arrays de dos antenas situadas en diferentes continentes, y aprovechando el movimiento de la tierra y las técnicas de apertura sintética. El sincronismo de fase entre ambas antenas se consigue mediante relojes atómicos. Otro avance importante se ha conseguido mediante la construcción de arrays de antenas de grandes dimensiones, como el del National Radio Astronomy Observatory, con 27 paraboloides de 25 metros de diámetro, repartidos en tres radios de una dimensiones máximas de 20 km Se han construido recientemente antenas para frecuencias superiores a los 100 GHz, con tolerancias mecánicas inferiores a los 0.2 mm. Medidas de antenas Las técnicas de medida de antenas han evolucionado mucho en los últimos años. Los avances más significativos han sido las medidas en campo próximo, en superficies planas, cilíndricas o esféricas, y la técnica del campo compacto. Desde el punto de vista de instrumentación los nuevos analizadores de redes automáticos han supuesto un avance realmente notable, sobre todo en la mejora de los márgenes dinámicos, la linealidad de la medida y la resolución. La medida de fase ha supuesto la posibilidad de aplicar técnicas matemáticas de transformación. Las medidas en campo próximo han sido posible gracias a la introducción de ordenadores suficientemente rápidos para efectuar las operaciones de transformada rápida de Fourier o los desarrollos en armónicos cilíndricos o esféricos. 73