Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencia de 18 GHz

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE GANDIA I.T. Telecomunicación (Sist. de Telecomunicación) “Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz” TRABAJO FINAL DE CARRERA Autor/es: Alfredo Boscá Bataller Director/es: José Ignacio Herranz Herruzo GANDÍA, 2011 1 ÍNDICE 0.-Abstract………………………………………………………….…………………....4 1.-Objetivos……………………………………………………………………………...6 2.-Introducción…………………………………………………………………………..8 2.1.- Descripción de la banda de trabajo (legislación, aplicaciones)…………….9 2.2.- Posibles tecnologías de antenas directivas.……………………………….12 2.2.1.- Reflectores………………………………………………………12 2.2.2.- Agrupación de antenas…………………………………………..12 2.2.3.- Reflectarrays…………………………………………………….15 2.3.- Comparativa de agrupaciones de antenas frente a reflectores.…………....17 2.4.- Motivación para el diseño de una RLSA………………………………….18 3.- Descripción de una antena RLSA……………….………………….........................20 4.- Diseño de una antena RLSA en la banda de 18GHz………………..………………31 4.1.- Cálculos preliminares……………………………………………………..31 4.1.1.- Elección del substrato…………...………………………………31 4.1.2.- Diseño de la sonda………………………………………………32 4.1.3.- Diseño de las ranuras……………………………………………35 4.2.- Estudio de los parámetros de la antena con el apuntamiento……………..36 4.2.1.- Sin modificar la posición de las ranuras………………………...39 4.2.2.- Modificación la posición de las ranuras………………………...56 5.- Resultados del diseño final……………..…………………………………………...73 5.1.- Antes y después de optimizar……………………………………………..73 5.2.- Según la longitud de la ranuras…………………………………………...75 6.-Aplicaciones…………………………………………………………………………80 7.-Referencias…………………………………………………………………………..87 Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz LISTA DE SÍMBOLOS Y ACRÓNIMOS eff  - Permitividad dieléctrica efectiva 0  - Permitividad dieléctrica en espacio libre r  - Permitividad dieléctrica relativa  - Longitud de onda g  - Longitud de onda en la guía 0  - Longitud de onda en el espacio libre D - Directividad dB - Decibelios f - Frecuencia UHF - Ultra High Frequency SHF - Super High Frequency EHF - Extremly High Frequency in W - Potencia de entrada VSWR - Voltage Standing Wave Radio (Coeficiente de Onda Estacionaria) 11 S - Coeficiente de reflexión tx  - Eficiencia de transmisión il  - Eficiencia de iluminación T  - Eficiencia Total rec  - Potencia recibida tx  - Potencia transmitida p L - Altura de la sonda RLSA - Radial-Line Slot-Array Antenna DL RLSA - Double-Layer RadialLine Slot-Array Antenna SL RLSA - Single-Layer RadialLine Slot-Array Antenna DBS - Direct Broadcast Satellite TEM - Transverse Electromagnetic LNB - Low Noise Block tx  - Eficiencia de transmisión: energía que es capaz de radiar la antena en función de la entregada a su entrada il  - Eficiencia de iluminación: uniformidad del campo en la apertura que describe lo bien que se aprovecha la superficie de la antena 3 Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 0 ABSTRACT En este informe técnico vamos a demostrar de forma teórica y práctica la importancia que tiene la aparición de un tipo de antenas planas ranuradas conocidas como RLSA (Radial Linear Slot Antenna) en el campo de la transmisión de datos. Las antenas RLSA se dan a conocer en la aplicación DBS (Direct Broadcasting Satellite)[1], ya que para la recepción de señal de vídeo, audio o datos transmitidos por el satélite se necesitaban antenas de alta ganancia y directividad. Esta aplicación, muy común en Tokyo y Japón opera en el rango de frecuencias 11.7-12.2 GHz. El estudio que vamos a presentar está pensado para utilizar las RLSA con una polarización lineal y en la banda de 18GHz [17.7 – 19.7] ya que al subir de frecuencia, mejora la directividad y se reducen las dimensiones convirtiéndose en una antena más atractiva para el mercado. Por contra, los parámetros básicos de una antena como son la eficiencia de transmisión, empeora debido a que las ranuras están muy cercanas unas de otras y se produce un acople de potencia que viaja hacia el centro de la antena, en dirección contraria a la radial. Para mejorar esta desventaja presentamos dos métodos como son ranuras canceladoras y modificación del haz. En nuestro caso nos decantamos por el segundo método ya que facilita el diseño de la antena RLSA, reduciendo a la vez costes de fabricación. Figura 0.1 RLSA dentro de una cámara anecoica. 5 Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 1 OBJETIVOS Nuestro objetivo es conseguir diseñar un prototipo de antena que nos permita transmitir información de forma muy fiable y a alta velocidad en radioenlaces que puedan soportar cualquier adversidad meteorológica. Este documento persigue la incorporación de las antenas planas ranuradas en el mundo de las telecomunicaciones en el marco europeo. Substituyendo las antenas convencionales como son los reflectores. Al mismo tiempo también se intenta que dichas antenas se comporten correctamente a frecuencias elevadas. Las antenas planas tienen la ventaja de que son muy directivas, ofrecen unas ganancias alrededor de los 35dB y permiten su instalación en cualquier tipo de superficies como techos, paredes, balcones… Objetivo principal: Diseñar una antena plana directiva formada por una agrupación de ranuras en una guía radial (RLSA) que opere en la banda K de microondas, concretamente desde 17.7GHz a 19.7GHz. Este rango de frecuencias, conocido como banda de los 18GHz, tiene un gran potencial futuro para aplicaciones de satélite o radioenlaces. El carácter plano del dispositivo, con un grosor alrededor de 1cm, permitiría reducir su impacto visual, en incluso integrarlo en la estructura de un edificio. La ventaja de este tipo de antenas frente a otras tecnologías planas radica en su alta eficiencia, pudiendo competir directamente con los habituales reflectores parabólicos. Objetivos secundarios:  Diseñar la antena de tal forma que opere en toda la banda objetivo, que abarca las frecuencias de 17.7GHz a 19.7GHz.  Conseguir un diagrama altamente directivo con una ganancia máxima, manteniendo el ancho de banda requerido tanto en ganancia como en adaptación. Para ello se inclinará el haz respecto de la dirección broadside, lo cual proporciona mejores resultados de adaptación.  Desarrollar un software en Matlab (aplicación de cálculo numérico complejo) que dé lugar a una antena con los parámetros de diseño que ofrezcan los mejores resultados, sin necesidad de la intervención del usuario.  Fabricar un prototipo de una antena diseñada con el software anterior. Realizar en el laboratorio las medidas de adaptación correspondientes así como de los diagramas de radiación y ganancia. 7 Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 2 INTRODUCCIÓN A finales del año 1950 K.C. Kelly empezó a hablar sobre las antenas RLSA (Radial Linear Slot Array) hasta que en 1980 apareció la estructura de dos capas DL-RLSA (Double Layer Radial Linear Slot Array) diseñada en Japón por el profesor del instituto de Tecnología de Tokyo, Akio Yamamoto[3] y Naohisa Goto[4]. El modelo inicial de antenas RLSA rápidamente sería substituido por el prototipo de antenas RLSA formadas por una única capa, debido al bajo coste, fácil construcción e instalación rápida en cualquier tipo de estructura(techos, paredes…). Generalmente este tipo de antenas son muy utilizadas en la Difusión Directa por Satélite (DBS) por su alta eficiencia y alta ganancia. Estas antenas pertenecen a la familia de agrupaciones de ranuras siendo la mejor candidata a alcanzar ganancias elevadas, teniendo la sonda muy pocas pérdidas. En la actualidad aparece la necesidad de obtener antenas cada vez más pequeñas, con mayor ganancia, de poco peso y de fácil instalación. Las RLSA son antenas circulares que cumplen dichos requisitos y están formadas por una serie de ranuras y a su vez cada agrupación de ranuras del mismo tamaño formando anillos. Cada ranura transmite potencia convirtiéndose como una antena independiente, formando una agrupación de antenas. Estas antenas tan peculiares representan una de las antenas planas más interesantes en el campo de las ondas microondas y milimétricas para las comunicaciones punto a punto debido a su bajo coste y alta eficiencia (alrededor 85%). Junto con las agrupaciones de parches microstrip (microstrip patch array) (antenas empleadas para los radares en aeropuertos) la RLSA fue un claro competidor del reflector parabólico plano. Figura 2.1 Agrupación de parches. 15 Las antenas patch array son una forma sencilla y económica de implementar antenas de alta ganancia, aunque en general no suelen ser reconfigurables. Han sido substituidas por las antenas RLSA ya que tienen comportamientos similares con la única diferencia de que las ranuras son cambiadas por un conjunto de parches radiadores. El caso más sencillo sería el siguiente: Figura 2.6 Agrupación de parche 24GHz. 2.2.3.- Reflectarrays Finalmente aparecen los reflectarrays, híbridos entre agrupaciones de antenas y reflectores convencionales, que nos permite una fácil instalación en cualquier superficie (paredes, techos) ya que es una antena plana. La superficie reflectarray está iluminada por una antena de la alimentación, al igual que un reflector parabólico, eliminando así la necesidad de distribuir la energía a los elementos de la antena individual a través de líneas de transmisión. Figura 2.7 Reflectarray. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Por último presentamos una tabla donde se pueden visualizar de forma rápida las ventajas e inconvenientes de las tres antenas básicas: Antena Ventajas Desventajas Lentes  No bloqueo en la alimentación  Mejor barrido del espacio  Grandes en aplicaciones de baja frecuencia  Errores en la apertura Reflectores  Simples  Ligeros  Diseño consolidado  Necesario offset para evitar el bloqueo del alimentador  Pobre barrido del espacio Phased Array  Distribución de la potencia en niveles de radiación elementales  Fiable  No tiene pérdidas de desbordamiento  No hay bloqueo en la apertura  Complejidad  Pesado  Grandes pérdidas en la red de formación del haz. Tabla2.4.Antenas comerciales para la banda de 18GHz. 17 2.3.- Comparativa de agrupaciones de antenas frente a reflectores. Después de realizar algunos cálculos teóricos, tomamos medidas de los parámetros básicos de los dos tipos de antenas con ayuda de nuestro medidor de campo FSM-400 para la banda de 18GHz: reflectores y agrupación de antenas. Especificaciones Banda de Frecuencia 17.7-19.7GHz Ganancia 25dB ROE 1:2 Polarización Única Eficiencia Total(G(dB)-D(dB) 65% Figura2.8 Reflector parabólico. En la figura 2.8 podemos ver la antena más utilizada para radioenlaces distancias entre emisorreceptor elevadas. Podemos ver como la antena está cubierta por un radomo para se protegida ante adversidades meteorológicas. Las dimensiones de los reflectores parabólicos no son dependientes de la frecuencia de operación y por esto pueden ser usados para cualquier frecuencia. La ganancia máxima que puede ofrecer un reflector es de 26dB. Por otro lado tenemos uno de los modelos de antena plana más extendido en el mercado en los 10 últimos años. Figura2.9 Antena RLSA. Estructura Dimensiones 0.6m Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz A continuación exponemos los valores obtenidos con la antena plana ranurada suponiendo que el diámetro de dicha antena es de 0.4m y que opera en la banda de 18GHz. NN Lr0(cm) θt S11(dB) D(dB) G(dB) Ef Efil EfT 10 0.442 12º -21.07 29.54 29.2 92.41% 46.42% 42.9% Teniendo en cuenta que: tx G D Ef ( ) ( ) ( ) tx G dB D dB Ef dB 2 4 teo geo DA   Una de las ventajas más importantes es que las antenas RLSA tienen un área geométrica inferior a los reflectores convencionales, pero aún así, ofrecen una directividad superior gracias a las ranuras radiantes que en su conjunto se comportan como una agrupación de antena. Como conclusión, indicar que después de comprar las antenas planas con los reflectores, decidimos utilizar la antena ranurada ya que puede trabajar a frecuencias más altas que los reflectores, presenta directividades más altas, no necesita ningún soporte para su instalación y está adaptada prácticamente en toda la banda de trabajo. 2.4.- Motivación para el diseño de una RLSA En este documente hemos decidido diseñar una antena RLSA para la banda de los 18GHz porque las frecuencias más bajas empiezan a saturarse como es el caso del rango de frecuencias en DBS (10.7-12.75) y además al aumentar la frecuencia se dispone de mayor ancho de banda que permite fusionar más servicios. Se observa para el futuro una clara tendencia a seguir subiendo en frecuencia. Ello es debido a que hay muchos servicios de telecomunicaciones que utilizan las bandas bajas (DBS, WI-FI…) y están saturadas. Otras ventajas que presenta subir en frecuencia es que se dispone de mayor ancho de banda, aumenta la directividad (85%) y los elementos de captación de la señal son de dimensiones reducidas (entre 0.4m-0.6m), de poco peso y fácil instalación. Se requiere que la antena tenga polarización lineal porque están pensadas para aplicaciones futuras en Europa. En Europa no se suele utilizar la polarización circular como en Tokyo y Australia [4], por ello la mayoría de reflectores para DBS son con polarización horizontal o vertical. 19 Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 3 DESCRIPCIÓN DE UNA ANTENA RLSA La RLSA (Radial Linear Slot Antenna) es una antena de microondas que fue inventada por el profesor del instituto tecnológico de Tokyo Naohisa Goto en 1980. Apareció para dar soporte al servicio popular de Japón que opera en los 12GHz y consiste en la difusión directa por satélite (DBS). Es una antena que permite una excelente captación de las señales por satélite ya que presenta una alta ganancia, alta directividad, buena eficiencia y un ancho de haz estrecho. Figura 3.1 Antena RLSA con polarización lineal. La estructura básica de una RLSA consiste en una agrupación de ranuras situadas en el metal de la parte superior de una guía radial con un diámetro de 0.4-0.6m. La potencia es inyectada mediante una sonda situada en el centro del substrato y viaja de forma radial alcanzando todas las ranuras. Estas antenas soportan las polarizaciones lineal, circular o elíptica, siendo una u otra en función de la orientación de las ranuras. En la actualidad es muy utilizada en Australia y Tokyo para aplicaciones que trabajan en la banda Ku (12-12.75GHz). Las longitudes de las ranuras variarán en función de la frecuencia de trabajo de la antena y además las ranuras cercanas al centro radiante serán más pequeñas que las cercanas a los extremos de la antena para conseguir que el acople sea lo menor posible. Cada agrupación de ranuras de idéntica longitud forman un anillo, de modo que los anillos que contienen aquellas ranuras más grandes son los que están más alejados del centro de la capa. La longitud de las ranuras tiene una longitud máxima conocida como longitud de resonancia (Lr0), a partir del cual es contraproducente para el comportamiento de dicha antena. Nos vamos a centrar en las antenas RLSA con polarización lineal [4] ya que es la más empleada en Europa. El inconveniente que nos encontramos es que se producen acoples de potencia entre las ranuras radiantes. Capítulo 3 Descripción RLSA 21 Hay dos posibles soluciones dependiendo de la configuración de la antena RLSA: Dos capas (DL-RLSA): Fue el modelo inicial que presentaron las antenas RLSA en su aparición, ya que tenía un diseño más fácil y no se producían acoples de potencia entre las distintas ranuras. La capa de arriba contiene las ranuras radiantes mientras que la capa trasera contiene las ranuras que cancelan las reflexiones producidas por las ranuras transmisoras. Tiene un diseño más sencillo pero no nos permite obtener ganancias del entorno de los 36dBi. Para conseguir ganancias altas se emplea antenas RLSA con estructura de una sola capa. Figura3. 2 DL-RLSA. Una única capa (SL-RLSA): Es un modelo con un diseño más complejo que el anterior y está compuesto por dos láminas de metal separadas por una distancia d que será el grosor del material absorbente que se utilice. Esa distancia d se rellena de un material dieléctrico con r >1. De este modo se consigue que la longitud de onda de la guía sea menor que la longitud de onda en el espacio libre, permitiendo reducir al máximo los lóbulos secundarios en el diagrama de radiación de la antena. 0 gr    Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Figura 3.3SL-RLSA En la lámina superior se colocará las ranuras encargadas de transmitir la potencia que entrega el coaxial en el material absorbente. Las ranuras están colocadas en una inclinación determinada para conseguir la polarización deseada (lineal, circular, elíptica). Las ranuras se colocan en la lámina de arriba para así la potencia residual que no se transmita que la absorba el material dieléctrico. Las antenas RLSA fueron pensadas para la polarización circular ya que su origen está en Japón, pero en nuestro caso vamos a emplear la polarización lineal ya que es la más utilizada en Europa. Ambas estructuras soportan polarización lineal, circular y elíptica. A partir de aquí nos vamos a centrar en la organización geométrica de las ranuras radiantes y las canceladoras dentro de cada uno de los anillos que componen la antena. Después del estudio exhaustivo por parte de Paul W. Davis y Marek E. Bialkowski del comportamiento de la antena RLSA con polarización lineal con ranuras canceladoras en los anillos se obtuvo el siguiente procedimiento de diseño optimizado. El inconveniente que presenta utilizar la polarización lineal en esta estructura es que las ranuras radiantes reflejan una potencia residual en sentido contrario a la de transmisión, es decir hacia la sonda. Esto impide que toda la potencia que entrega el coaxial sea transmitida y por tanto la antena pierde eficiencia de transmisión. Este mal comportamiento aparece porque los anillos de ranuras radiantes están espaciados radialmente una distancia de 2 g  , lo que provoca que las reflexiones de todas las ranuras se sumen en fase en el punto de alimentación. Este fenómeno puede ser eliminado de manera efectiva utilizando alguno de los dos métodos que explicamos a continuación: Capítulo 3 Descripción RLSA 23  Ranuras canceladoras El método más extendido es el presentado por los ingenieros de Japón Ando M., Numata, Takada y Goto N. en 1988[5]. Consiste en añadir por cada ranura transmisora una ranura canceladora a una distancia radial de 4 g  , formando así una pareja de ranuras. De esta manera se consigue que gran parte de las reflexiones de las ranuras radiantes se cancelen con las reflexiones de las ranuras canceladoras ya que las ondas llegan en contrafase debido a la separación. También se debe situar las ranuras radiantes con un desfase de 0º ó 180º, por lo tanto la separación entre ranuras radiantes será de 2 g  . Sabiendo la ubicación exacta de las ranuras radiantes ya podemos expresar el coeficiente de reflexión de las 2 ranuras radiantes más cercanas. El coeficiente de transmisión de la ranura transmisora y de la canceladora es el siguiente: 11 22 sin             De las 2 ecuaciones anteriores se llega a la conclusión de que la componente copolar (radiación en la polarización deseada) y componente contrapolar (afecta a la polarización deseada). A partir de las ecuaciones generales presentadas por Ludwig:       , , , CP E E sen E cos                  , , cos , XP E E E sen            Teniendo en cuenta los coeficientes de transmisión de las ranuras, aparecen las siguientes contribuciones del diagrama de radiación: Componente copolar:     1 1 2 2 1sen sen sen sen            Componente contrapolar: 1 1 2 2 sin cos( + sin cos( +             Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Interesa que el diagrama de radiación de una antena sólo tenga componente copolar, pero en la realidad siempre tendremos parte de componente contrapolar. Para ello: 12     ; 0   22    De las ecuaciones anteriores se deduce que las ranuras transmisoras adyacentes deben de ser independientes. Se podrá observar de forma ilustrativa en la figura 3.4. Como podemos comprobar en las ecuaciones anteriores siempre nos interesará que el diagrama de radiación de una antena sólo tenga componente copular, pero en la realidad siempre tendremos parte de comportamiento contrapolar que lo que hace es desplazar el haz para la frecuencia deseada, además la componente contrapolar es el diagrama de radiación con la polarización no deseada. Siendo  la posición angular donde están colocadas la pareja de ranuras respecto al eje de la polarización (eje x) y  el ángulo de la ranura respecto el eje radial de la antena. Centrándonos en las ranuras canceladoras, quedarían de la siguiente forma: Figura 3.4 Posición de las ranuras canceladoras.. Capítulo 5 Resultados del diseño 31 Capítulo 4 DISEÑO DE UNA ANTENA RLSA EN LA BANDA DE 18GHz A continuación vamos a desarrollar la parte práctica del proyecto que consiste en presentar un diseño real de la RLSA basándose en unos cálculos previos que nos aseguren el correcto comportamiento de la antena en la banda de los 18GHz [17.7-19.7] GHz, es decir, que el acople esté por debajo de -10dB y que presente una ganancia alrededor de los 30dB. Para realizar el diseño deseado nos hemos ayudado de una herramienta científica muy potente que nos permite realizar cálculos matemáticos complejos y la visualización gráfica de los mismos como es MATLAB V7.2.0.232 (R2006a) . 4.1.- Cálculos preliminares Antes de empezar con el diseño real de la antena [8] vamos a realizar unos cálculos previos basándonos con los cálculos teóricos descritos anteriormente. Para agilizar dichos cálculos, creamos ficheros con extensión matlab ya que en algunos casos los cálculos son muy complejos. 4.1.1Elección del substrato Un aspecto importante es la elección del material sobre el que se van a fabricar las ranuras. En este caso se opta por una guía circular hecha de material dieléctrico como es la fibra de vidrio PTFE (polytetrafluoroethylene). Dicho substrato es inerte y funciona en un ancho rango de temperaturas (comprende desde –328°F hasta +500°F). En nuestro caso nos fijaremos en los substratos que están dentro de la serie Nelco N9000 que son fibras de vidrio reforzadas cuya permitividad realitva oscila entre 2.08 y 2.33 mientras que el factor de dispersión DF, conocido como tangente de pérdidas ( tan  ), está entre 0.0006 y 0.0011. Todos estos valores son para frecuencias alrededor de 10GHz. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Tabla 4.1 Características Serie N9000. Como se puede comprobar en la tabla anterior existen distintos tipos de substrato, dependiendo del índice de permitividad, cada uno con un comportamiento distinto. Finalmente, tal y como se indica en la tabla, escogeremos para realizar el diseño de la antena RLSA el substrato NY9220, que presenta un índice de permitividad de 2.2 y una tangente de pérdidas igual a 0.0009, con un grosor de 3.175mm. 4.1.2.- Diseño de la sonda El primer aspecto a tener en cuenta en el diseño de la antena es la transición sonda-guía. El coeficiente de reflexión debe ser bueno en la banda de trabajo, eligiendo la longitud de sonda óptima. A continuación determinaremos cual es la altura de la sonda (lp) óptima para conseguir que la potencia llegue por igual a todas las ranuras, mejorando de este modo la eficiencia de transmisión de la antena. Capítulo 5 Resultados del diseño 33 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 X: 18.03 Y: 0.2886 Frecuencia(GHz) Lpmin(cm) Gráfica 4.1 Altura de la sonda en función de la frecuencia. En la gráfica 4.2 podemos comprobar como conforme se sube en frecuencia la altura de la sonda disminuye ya que las pérdidas son mayores aunque sí mejore la directividad. Por tanto para nuestro caso la altura de la sonsa será de 0.2886cm. Uno de los parámetros que nos va a delimitar el comportamiento de la antena va ser la frecuencia de trabajo, ya que la frecuencia nos indica el ancho de banda que presenta la antena. La banda de trabajo es un margen de frecuencias en el cual la antena se va a comportar de manera más o menos óptima, es decir presentará elevada directividad, alta ganancia, coeficiente de reflexión (S11) bajo. En nuestro caso para asignar una banda de frecuencias válidas para nuestra antena RLA, hemos realizado un barrido de frecuencias que va desde 12GHz hasta 30GHz, y se toman las medidas de los S11 para distintas frecuencias comprendidas en dicho rango. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 X: 18.03 Y: -59.27 Frecuencia(GHz) Coeficiente Reflexión(dB) Gráfica 4.2 Coeficiente de reflexión en función de la frecuencia. Según la gráfica anterior nos va a interesar diseñar la antena para la banda de frecuencias llamada 18GHz [17.7 19.7] ya que presenta un coeficiente de reflexión que es prácticamente nulo. Debemos tener en cuenta que este coeficiente de reflexión aparece sin considerar el efecto de las ranuras, por ello nos interesan valores inferiores a -20dB para estar seguros de que no aparecerán cuando tengamos construida la antena. A continuación presentamos los dos tipos de sondas que hemos tenido en cuenta a la hora de realizar algunas mediciones básicas. Figura4.3 Sonda convencional Figura 4.4 . Sonda cónica La diferencia entre ambas sondas es que la sonda cónica permite obtener una antena con mayor ancho de banda con menor grosor de substrato. La sonda cónica tiene un área mucho mayor que la convencional y permite disminuir la S11 en unos 30dB dejando la antena adaptada. En nuestro caso emplearemos coaxial que es una sonda convencional (Figura 4.3) ya que no pretendemos que la antena sea de banda ancha sino más bien nuestro objetivo principal es que presente alta ganancia. Capítulo 5 Resultados del diseño 35 4.1.3.- Diseño de las ranuras Una vez diseñada la sonda, el estudio se centra en la longitud de las ranuras. Hemos considerado que todas las ranuras tienen una anchura idéntica de 0.5mm. En un principio se tuvo en cuenta que la longitud de las ranuras era la misma para todos los anillos que componen la antena pero se comprobó que se desperdicia mucha potencia, ya que no se entrega la mima potencia en el centro de la antena donde está la sonda que en el extremo de la antena. Por ello finalmente se pensó que la longitud de las ranuras debía de ser distinta, y a la vez mayor conforme se acercara al extremo de la antena. Seguidamente observamos cuál es la longitud de la ranura óptima que nos va a aportar mayor campo radiado (Er). 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Length Slot(cm) Erad() Gráfica 4.5 Campo radiado Se puede comprobar como la longitud de ranura de resonancia está en torno a 0.6cm, lo que fijará la longitud máxima. De la gráfica anterior deducimos que existe una longitud e ranura a partir de la cual vuelve al estado inicial, dicha longitud se conoce como longitud de resonancia Lro y sería la óptima ya que es la longitud en la cual consigues mayor campo de radiación. Hacer que la ranura tenga mayor longitud que la de resonancia sería contraproducente. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 4.2.- Estudio práctico de los parámetros de la antena. Vamos a diseñar una antena RLSA (Figura 3) con polarización lineal que nos permita conseguir ganancias cercanas a los 30dB para poder ser empleada en aplicaciones de la banda de frecuencias de los 18GHz. El inconveniente que presentan dichas antenas es que las ranuras producen reflexiones que provocan acoplamiento de potencia entre dichas ranuras y por tanto que se refleje la potencia hacia atrás y se pierda eficiencia. Por ello, se va a aplicar un desapuntamiento del haz para conseguir la adaptación deseada. En nuestro caso, recordar que la relación delante-atrás se puede despreciar ya que en las ranuras planas existe muy buen apantallamiento que dificulta la radiación de potencia hacia atrás. En primer lugar vamos a realizar un barrido del apuntamiento (ángulo theta) para distintas longitudes de ranuras, para escoger cual es el ángulo de inclinación que nos conviene. Para este caso elegimos la antena de 8 anillos y una longitud de ranura (Lr0) constante en toda la antena para agilizar los cálculos complejos de Matlab. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 18 20 22 24 26 28 30 32 Ángulo theta(grados) Directividad(dB) Lr0=0.4cm Lr0=0.5cm Lr0=0.55cm Lr0=0.6154cm Gráfica 4.6 Directividad La gráfica 4.6 representa los distintos valores de la directividad para una antena RLSA de ocho anillos en función del ángulo de apuntamiento. De esta forma podemos apreciar fácilmente como al disminuir la longitud de ranura la directividad disminuye más lentamente con el cambio del ángulo de apuntamiento, mientras que en el caso de emplear longitudes de ranura superiores a 0.55cm la directividad decrece rápidamente con el ángulo de apuntamiento. Capítulo 5 Resultados del diseño 37 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Ángulo theta(grados) Coeficiente reflexión(dB) Lr0=0.4cm Lr0=0.5cm Lr0=0.55cm Lr0=0.6154cm Gráfica 4.7 Coeficiente de reflexión En la gráfica 4.7 se representa el coeficiente de reflexión en función del ángulo de apuntamiento. Se puede observar que al emplear ranuras mayores la adaptación es peor debido a que las reflexiones aumentan. Ocurre lo contrario que en la gráfica 4.6 ya que las ranuras con mayor longitud de ranura son menos variables con el ángulo de apuntamiento que las ranuras con longitud inferior. Además observamos que en las antenas con menor longitud de resonancia no es necesario desplazar el apuntamiento más de 10 grados para estar adaptadas, mientras que en las antenas con longitud de resonancia superior a 0.55cm el desplazamiento mínimo será de 18 grados. En estos casos y en los posteriores se va a tomar un coeficiente de reflexión de referencia de -20dB para considerar que la antena presenta una buena adaptación. Otra aportación importante de la gráfica anterior es que el coeficiente de reflexión mejora conforme aumentamos el ángulo de apuntamiento. La gráfica 4.8 representa la eficiencia de radiación en función del ángulo de apuntamiento de la antena. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Barrido theta(grados) Eficiencia transmision Lr0=0.4cm Lr0=0.5cm Lr0=0.55cm Lr0=0.6154cm Gráfica 4.8 Eficiencia de transmisión Como podemos observar en la gráfica 4.8 cuanto mayor es la longitud de la ranuras, la eficiencia de transmisión se acerca al 100%, ya que la potencia radiada cada vez es más similar a la potencia de entrada debido a que a las ranuras se acopla más potencia. tx TX rec    Siendo la eficiencia total el producto de la eficiencia de transmisión y la eficiencia de iluminación (pérdidas de ganancia relacionada con la iluminación no uniforme de la apertura). T tx il     Por último, la figura 4.9 representa la máxima componente contrapolar en función del apuntamiento de la ranura. Capítulo 5 Resultados del diseño 39 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -35 -30 -25 -20 -15 -10 Barrido theta(grados) Componente contrapolar(dB) Lr0=0.4cm Lr0=0.5cm Lr0=0.55cm Lr0=0.6154cm Gráfica 4.9 Diagrama de radiación no deseada . Después de observar detenidamente las figuras anteriores (4.6-4.9) se elige un ángulo de apuntamiento de 10º con unas ranuras de longitud entre 0.5 y 0.55cm ya que se comprueba que el valor de los parámetros de la antena no presentan fluctuaciones porque la antena está adaptada. Para determinar si la antena está adaptada o no, nos debemos de fijar en el parámetro coeficiente de reflexión (S11) y verificar que dicho valor sea inferior a 20dB durante toda la banda de trabajo. *Consideramos 20dB porque las medidas se realizaron con las antenas sin los componentes (sonda ranuras…) de esta forma nos aseguramos de que el coeficiente de reflexión nunca supere los 10dB establecidos generalmente como valor máximo del coeficiente de reflexión para una antena adaptada. 4.2.1 Sin modificar la posición de las ranuras. Una vez consideradas las aportaciones de las ranuras en el diseño de la antena RLSA nuestro objetivo será la búsqueda de longitudes de ranuras que proporcionen una determinada eficiencia de transmisión. En este apartado vamos a tener en cuenta dos métodos a la hora de encontrar la eficiencia deseada. El primer de los métodos consiste en considerar todas las longitudes de las ranuras sean iguales independientemente del anillo donde estén. Por otro lado el segundo y más complejo método que nos ofrece mejores eficiencias de iluminación consiste en que las ranuras tendrán mayor longitud conforme se acerquen al extremo de la antena, es decir los últimos anillos, teniendo en cuenta que la máxima longitud es la de resonancia. También cabe destacar que al variar la longitud de las ranuras según la potencia recibida la eficiencia total aumenta, por ello los últimos anillos presentan mayores longitudes de ranura. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz A continuación vamos a buscar con ayuda del archivo creado en MATLAB (sc_rlsa.m) las distintas longitudes de ranura que nos ofrezcan la eficiencia. Búsqueda de longitudes de ranura que ofrezcan una eficiencia de transmisión de 85%. 1. Longitud de ranuras (Lr0) constante: Se considera que la longitud de las ranuras es idéntica independientemente de la posición. Eficiencia 85% NN Lr0(cm) 8 0.545 10 0.536 12 0.5305 Tabla 4.2 Valores Lr0 2. Longitud de ranuras variable (Lrr): Consiste en ir variando la longitud de las ranuras según el anillo al que pertenezcan. La longitud varía en modo creciente según nos alejamos del núcleo de la antena. NºAnillos Lrr Lrr Lrr 1º 0.457 0.436 0.419 2º 0.485 0.464 0.448 3º 0.503 0.482 0.466 4º 0.518 0.496 0.479 5º 0.532 0.508 0.491 6º 0.546 0.519 0.501 7º 0.562 0.530 0.511 8º 0.589 0.542 0.52 9º - 0.555 0.529 10º - 0.574 0.54 11º - - 0.552 12º - - 0.568 Tabla 4.3 Vector de longitudes (cm). En nuestro caso, para cada una de las distintas eficiencias, nos decantamos por el método 2 porque aunque sea un método más complejo, al ir variando las longitudes de las ranuras según la posición en la antena se mejora la potencia radiada y por tanto mejora la eficiencia total. Una vez conocido el vector de ranuras Lrr, ya tendríamos todos los parámetros necesarios para poder calcular los parámetros primarios de la antena según la inclinación que tenga la antena como son la eficiencia de transmisión, coeficiente de reflexión y directividad. Capítulo 5 Resultados del diseño 47  Barrido del ángulo de apuntamiento para una longitud de ranuras variable. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 20 22 24 26 28 30 32 Barrido theta(grados) Directividad(dB) NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 Lr0=0.442cm NN=12 Lr0=0.425cm Gráfica4.17 Directividad. De la gráfica 4.17 se verifica que la directividad decrece una cantidad constante para las distintas antenas conforme se aumenta el ángulo de apuntamiento. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Barrido theta(grados) Coeficiente reflexión(dB) NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 Lr0=0.442cm NN=12 Lr0=0.425cm Gráfica4.18 Coeficiente de reflexión. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz De la gráfica 4.11 deducimos la inclinación adecuada del diagrama para que la antena esté bien adaptada (S11<-20dB) en la banda de los 18GHz, escogiendo la menor posible. Por tanto:  Para una antena con 8 anillos y una longitud de ranura mínima de 0.461cm, la inclinación perfecta será de 10º.  Para una antena de 10 anillos y longitud de ranura mínima de 0.442cm, la inclinación será idéntica a la antena anterior de 8 anillos.  Para una antena con 12 anillos y una longitud de ranura mínima de 0.425cm, la inclinación perfecta será de 8º. Como podemos comprobar en la gráfica anterior que representa el coeficiente de reflexión (S11), para 10grados las antenas de 8, 10 y 12 anillos están totalmente adaptadas (S11<-20dB). También se deduce de la gráfica de la directividad que al aumentar el número de anillos (NN), aumenta el área geométrica y por tanto la directividad aumenta, pero al variar el apuntamiento de las ranuras, empeora la directividad considerablemente. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 Barrido theta(grados) Eficiencia Transmisión NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 lr0=0.442cm NN=12 Lr0=0.425cm Gráfica4.19 Eficiencia de transmisión. Capítulo 5 Resultados del diseño 49  Análisis banda de trabajo [17.7-19.7] GHz. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 Frecuencia(GHz) Coeficiente reflexión NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 Lr0=0.442cm NN=12 Lr0=0.425cm Gráfica4.20 Coeficiente de reflexión. Esta gráfica nos muestra por qué las antenas no están adaptadas en toda la banda de 18GHz. La antena con mejor comportamiento sería la de 12 anillos ya que está adaptada por debajo de - 20dB durante un máximo de 1.2GHz de los 2GHz de ancho de banda deseado. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Frecuencia(GHz) Directividad(dB) NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 Lr0=0.442cm NN=12 lr0=0.425cm Gráfica4.21 Directividad Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Frecuencia(GHz) Eficiencia NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 Lr0=0.442cm NN=12 Lr0=0.425cm Gráfica4.22 Eficiencia Transmisión Como hemos comentado anteriormente la eficiencia aumenta con la frecuencia. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 5 10 15 20 25 30 Frecuencia(GHz) Ganancia(dB) NN=8 Lr0=0.461cm NN=10 Lr0=0.442cm NN=12 Lr0=0.425cm Gráfica4.23 Ganancia De la gráfica 4.21 podemos extraer que nos interesará trabajar con la antena de 12 anillos ya que es la que mejor directividad presenta para la frecuencia central de 18.7GHz. Por el contrario la antena de 10 anillos es la que mejor eficiencia muestra. Capítulo 5 Resultados del diseño 51 Búsqueda de longitudes de ranura que ofrezcan una eficiencia de transmisión de 95%. 1. Longitud de ranuras (Lr0) constante: Se considera que la longitud de las ranuras es idéntica independientemente de la posición. Eficiencia 95% NN Lr0(cm) 8 0.562 10 0.5503 12 0.5447 Tabla 4.6 Valores Lr0 2. Longitud de ranuras variable (Lrr): Consiste en ir variando la longitud de las ranuras según el anillo al que pertenezcan. La longitud varía en modo creciente según nos alejamos del núcleo de la antena. NºAnillos Lrr Lrr Lrr 1º 0.4660 0.4450 0.4260 23º 0.4939 0.4733 0.4547 3º 0.5125 0.4915 0.4729 4º 0.5278 0.5056 0.4866 5º 0.5427 0.5181 0.4981 6º 0.5594 0.5300 0.5085 7º 0.5849 0.5425 0.5185 8º 0.6154 0.5570 0.5285 9º - 0.5778 0.5392 10º - 0.6154 0.5516 11º - - 0.5680 12º - - 0.6066 Tabla 4.7 Vector de longitudes. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz  Barrido del ángulo de apuntamiento para una longitud de ranuras variable 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 20 22 24 26 28 30 32 Barrido theta(grados) Directividad(dB) NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.24 Directividad De la gráfica anterior se extrae que la directividad decrece con el ángulo de apuntamiento y aumenta con el número de anillos. Es decir, cuanto más grande sea la antena, el ancho de haz será más estrecho, ya que el área geométrica aumenta y con ella la directividad. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Barrido theta(grados) Coeficiente Reflexión(dB) NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.25 Coeficiente de reflexión De la gráfica 4.25 deducimos el ángulo de apuntamiento adecuado para que la antena esté bien adaptada por debajo de -20dB en la banda de los 18GHz. Por tanto: Capítulo 5 Resultados del diseño 53  Para una antena con 8 anillos y una longitud de ranura mínima de 0.466cm, la inclinación perfecta será de 14º.  Para una antena de 10 anillos y longitud de ranura mínima de 0.445cm, la inclinación será de 10º.  Para una antena con 12 anillos y una longitud de ranura mínima de 0.426cm, la inclinación será idéntica a la de la antena de 10 anillos. *Nota: Recordar que interesa coger el ángulo de inclinación menor posible que cumpla que S11<-20dB ya que conforme subimos dicho ángulo la directividad empeora. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 Barrido theta(grados) Eficiencia Transmisión NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.26 Eficiencia de transmisión En la gráfica anterior observamos como hay una eficiencia de transmisión máxima que se consigue con un ángulo de inclinación de 12º y 14º según la antena, a partir del cual la eficiencia empieza a disminuir considerablemente. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz  Análisis Banda de trabajo [17.7-19.7]GHz. En este apartado se calcularán los parámetros característicos de una antena teniendo en cuenta un apuntamiento de la antena de 14º ya que de este modo las 3 están adaptadas correctamente. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 -40 -35 -30 -25 -20 -15 Frecuencia(GHz) Coeficiente Reflexión(dB) NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.27 Coeficiente de reflexión. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 5 10 15 20 25 30 35 Frecuencia(GHz) Directividad(dB) NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.28 Directividad Si nos fijamos en las gráficas de directividad para las distintas eficiencias exigidas (figura 4.14, 4.21 y 4.28 ), observamos como conforme se exige mayor eficiencia de transmisión la directividad disminuye. Esto es debido a que como la eficiencia de transmisión depende de la potencia emitida, habrá más acoples mutuos entre las ranuras. Capítulo 5 Resultados del diseño 55 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Frecuencia(GHz) Eficiencia Transmisión NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.29 Eficiencia de transmisón. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 5 10 15 20 25 30 Ganancia(dB) Frecuencia(GHz) NN=8Lr0=0.466 NN=10Lr0=0.445 NN=12Lr0=0.426 Gráfica4.30 Ganancia Por último la ganancia es un parámetro muy importante en una antena porque nos ayuda a la hora de saber el alcance de dicha antena. En nuestro caso la antena que posee mayor ganancia en la frecuencia central es la de 12 anillos ya que presenta una eficiencia del 96% y una directividad de 25 dB aproximadamente. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 4.2.2 Modificación la posición de las ranuras. Como se ha visto anteriormente, la directividad decrece dramáticamente con el apuntamiento de la antena, por lo que se hace necesario aplicar algún algoritmo de corrección para mitigar dicho efecto. En este caso se ha optado por modificar la posición de las ranuras para que su radiación combinada se sume en fase en la dirección deseada, algo que se ha comprobado que no estaba ocurriendo. A continuación vamos a optimizar la posición de las ranuras para compensar las variaciones que se producen en la directividad cuando variamos el apuntamiento (theta_t) de la antena. De este modo obtendremos una mejor directividad para la misma eficiencia de transmisión. Una vez modificada la posición de las ranuras, nuestro objetivo sería conocer las longitudes de ranuras que nos permitan obtener en cada una de las tres antenas (12, 10 y 8 anillos) las eficiencias deseadas. Una vez calculas dichas longitudes, representaremos el coeficiente de reflexión en función del apuntamiento (theta_t). Observando la gráfica que representa el S11 se elegirá el ángulo más adecuado para posteriormente calcular el comportamiento de las antenas en la banda de trabajo (17.7GHz-19.7GHz). Búsqueda de longitudes de ranura que ofrezcan una eficiencia de transmisión de 85% Después de realizar multitud de cálculos aproximados con la ayuda del archivo sc_rlsa_opt.m, creado en MATLAB podemos obtener las longitudes de ranura óptimas para el primer anillo que ofrecen la eficiencia deseada: NN Lr0_op(cm) 8 0.4536 10 0.4332 12 0.4178 Tabla 4.8 Valores Lr0  Elección del apuntamiento óptimo. En este apartado vamos a calcular los parámetros más significativos de la antena como son el coeficiente de reflexión que nos indica si la antena está adaptada y la directividad que nos permite conocer la ganancia de dicha antena para las eficiencias deseadas. Capítulo 5 Resultados del diseño 63 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Barrido theta(grados) Directividad(dB) NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.4372 NN=12Lr0=0.421 Gráfica 4.41 Directividad 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.9 0.91 0.92 0.93 Barrido theta(grados) Eficiencia Tx NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.437 NN=12Lr0=0.421 Gráfica 4.42 Eficiencia de transmisión La eficiencia de transmisión en muy inestable en las tres antenas, fluctúa entre valores comprendidos entre 83% y 92% aproximadamente. Esto significa que la eficiencia de transmisión depende directamente del ángulo de apuntamiento elegido. NN Lr0_op(cm) Th_t 8 0.4568 15º 10 0.437 15º 12 0.421 15º Tabla 4.11 Desfase aplicado. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz  Análisis Banda de trabajo [17.7-19.7]GHz. Después de observar el comportamiento de la antenas en un barrido de 20º en theta, deducimos que el apuntamiento adecuado para que las antenas estén adaptadas por debajo de -20dB es de 15º (tabla 4.11). 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 Frecuencia(GHz) Coeficiente de reflexión(dB) NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.437 NN=12Lr0=0.421 Gráfica 4.43 Coeficiente de reflexión Con la ayuda de la gráfica anterior ya podemos saber qué antenas nos van a ser más útiles. En nuestro caso se ve claramente que la antena con un ancho de banda relativamente grande en el cuál está adaptada por debajo de -20 dB es la antena de 10 anillos, aunque la de 12 anillos también sería aceptable. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 20 22 24 26 28 30 32 Frecuencia(GHz) Directividad(db) NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.437 NN=12Lr0=0.421 Gráfica 4.44 Directividad Capítulo 5 Resultados del diseño 65 En la gráfica 4.44 observamos que existe un máximo de directividad para la antena de 12 anillos de un valor de 31 dB y es en la frecuencia de 18.4GHz. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 FrecuenciaGHz Eficiencia TX NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.437 NN=12Lr0=0.421 Gráfica 4.45 Eficiencia Transmisión 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Frecuencia(GHz) Eficiiencia Iluminacion NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.437 N=12Lr0=0.421 Gráfica 4.46 Eficienica iluminación Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 Frecuencia(GHz) Eficiencia Total NN=8Lr0=0.4568 NN=10Lr0=0.437 NN=12Lr0=0.421 Gráfica 4.47 Eficiencia total En este caso, se podría escoger indistintamente entre la antena de 10 o de 12 anillos, dependiendo de la ganancia máxima requerida. Capítulo 5 Resultados del diseño 67 Búsqueda de longitudes de ranura que ofrezcan una eficiencia de transmisión de 95% Realizamos el mismo estudio de las longitudes de ranura que para la eficiencia del 90%: NN Lr0_op(cm) 8 0.4626 10 0.442 12 0.424 Tabla 4.12 Valores Lr0  Elección del apuntamiento óptimo. Antes de analizar los parámetros de las antenas en frecuencia sería conveniente saber cuál va a ser el ángulo de apuntamiento adecuado para conseguir resultados óptimos. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Barrido theta(grados) Coeficiente Reflexión(dB) NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12Lr0=0.424 Gráfica 4.48 Coeficiente de reflexion De la gráfica 4.48 deducimos el ángulo de apuntamiento adecuado para que la antena esté bien adaptada por debajo de -20dB en la banda de los 18GHz:  Para una antena con 8 anillos y una longitud de ranura mínima de 0.4626cm, el ángulo de inclinación idóneo será de 13º.  Para una antena de 10 anillos y longitud de ranura mínima de 0.442cm, la inclinación será de 7º.  Para una antena con 12 anillos y una longitud de ranura mínima de 0.424cm, la inclinación será idéntica a la de la antena de 8 anillos. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Directividad(dB) Barrido Theta(grados) NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12Lr0=0.424 Gráfica 4.49 Directvidad 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 Barrido Theta(grados) Eficiencia NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12Lr0=0.424 Gráfica 4.50 Eficiencia de transmisión Después de cotejar los datos obtenidos en las gráficas anteriores llegamos a la conclusión de que el ángulo de apuntamiento mínimo de cada antena para que estén adaptadas son los presentados en la tabla siguiente: NN Lr0_op(cm) Th_t 8 0.4626 15º 10 0.442 15º 12 0.424 15º Tabla 4.13 Desfase aplicado Capítulo 5 Resultados del diseño 69  Análisis Banda de trabajo [17.7-19.7]GHz. En esta sección vamos a analizar el comportamiento de la antena para la banda de frecuencias en la cual la antena va a tener que ofrecer el servicio. En este caso como aparece en la tabla 4.13 el desapuntamiento para las tres antenas va a ser de 15º, quedando de este modo correctamente adaptadas. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 Coeficiente Reflexión(dB) Frecuencia(GHz) NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12ylr0=0.424 Gráfica 4.51 Coeficiente de reflexión 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Frecuencia(Gz) Directividad(dB) NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12ylr0=0.424 Gráfica 4.52 Directividad Cuando exigimos una eficiencia de un 95% es cuando se obtiene el máximo de directividad, siendo éste 31dB y lo presenta la antena de 12 anillos. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Frecuencia(GHz) EficienciaTx NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12ylr0=0.424 Gráfica 4.53Eficiencia de transmisión Como podemos comprobar en la gráfica anterior para conseguir una buena eficiencia, la antena cuantas menos ranuras tenga mejor, pero siempre hay un límite que en nuestro caso sería de 10 ranuras. 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Frecuencia(GHz) Eficienciail NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12ylr0=0.424 Gráfica 4.54 Eficiencia de iluminación Capítulo 5 Resultados del diseño 71 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Frecuencia(GHz) EficienciaTotal NN=8yLr0=0.4626 NN=10ylr0=0.442 NN=12ylr0=0.424 Gráfica 4.55 Eficiencia total Por último destacar que la antena de 10 anillos no nos interesa porque la antena no está adaptada, presenta un S11 superior a 20dB. De las dos antenas restantes escogeremos la de 12 anillos ya que por su área permite alcanzar directividades muy elevadas a la frecuencia de 18.7GHz como son unos 31dB. También observamos que la antena de 12 anillos cumple el requisito de ofrecer 95% de eficiencia de transmisión en la frecuencia central. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 6 Aplicaciones 79 Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 6 APLICACIONES Es indudable el crecimiento de la demanda de usuarios para tener, simultáneamente, en sus unidades, múltiples servicios, tales como voz, audio, video y especialmente datos a alta velocidad para, por ejemplo, el tráfico de Internet y comercio electrónico. Una de las alternativas más rápidas y económicas para la conquista de este objetivo son los sistemas inalámbricos de banda ancha, conocidos como sistemas BWS (Broadband Wireless Systems) detallados en el libro “The Promise of Broadband Wireless” [9]. Diversos sistemas BWS se han implementado o están en desarrollo actualmente. La gran mayoria de estos sistemas operan en las bandas de frecuencia ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,4 GHz y 5 GHz y en las bandas de frecuencia UNII (Unlicensed National Information Infraestructure) de 5 GHz. Sin embargo, unos de los sistemas BWS más atractivos, son los Sistemas LMDS (Local Multipoint Distribution Systems), que opera en la banda de 28 GHz. Las consideraciones de propagación en frecuencias superiores a 10 GHz son drásticamente diferentes a las condiciones en frecuencias menores. Estas diferencias repercuten de forma directa en las estrategias de planificación de los sistemas inalámbricos que operan en frecuencias superiores a 10 GHz. Sistema de acceso IP inalámbrico Sistema de comunicaciones conocido como BWA (Broadcast Wireless Access) que presenta una topología punto-multipunto y opera en la banda de los 18 GHz. Esta aplicación permite ofrecer a sus abonados altas velocidades con una tasa de transmisión de hasta 80Mbps. WIPAS permite ofrecer el servicio de Internet en aquellas zonas que por la situación geográfica o por el escaso número de abonados no compensa cablear la zona ya que supondría un coste elevado. De este modo se consigue prácticamente que la distancia de los abonados a la antena base sea independiente del ancho de banda. Con licencia en la banda de los 18GHz para los operadores de Telecomunicaciones permite un servicio de mayor capacidad y evitar la posible interferencia de co-sistemas ya existentes que se encuentran a menudo en las bandas sin licencia. El sistema está pensado para implantarse en aquellas zonas donde el cableado de ADSL o FTTH (Fiber To The Home) tiene algunas dificultades en su implementación. Capítulo 6 Aplicaciones 81 Figura6.1 Configuracion típica del sistema de acceso IP inalámbrico. Funcionamiento:  Las velocidades inalámbricas de transmisión 80Mbps/40Mbps es posible gracias al ancho de banda de 30MHz que presenta la frecuencia RF de 18GHz.  La velocidad de transmisión depende en gran parte de la modulación de señal empleada (16QAM/QPSK). Este parámetro es elegido por los abonados en función de lo lejos que estén de la estación base y de las condiciones meteorológicas.  La información que recibe el abonado del punto de acceso está encriptada utilizando unos algoritmos de seguridad bastante fiables.  The Operation System (OpS) permiten la instalación y registro de los abonados y la supervisión de los estados válidos en que puedan estar los abonados. A continuación se muestran los elementos que componen una red de acceso IP inalámbrico. Punto de acceso  Se suele emplear una antena omnidireccional (360º) en zonas donde predominen las casas independientes y una antena bocina para zonas muy pobladas.  Interfaces: Óptica (100BASE-FX) o eléctrica (100BASE-TX).  Un punto de acceso (AP) es capaz de dar servicio a más de 239 abonados. Figura6.2 Punto de acceso Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Equipo terminal  Está formado por la antena plana ranurada y los circuitos eléctricos.  Antena de dimensiones reducidas (19cm x 19cm x 6cm) y de fácil instalación.  Equipo terminal se conecta al PC a través del cable ETHERNET y se conecta a la red eléctrica a través de un adaptador de Figura6.3 Equipo terminal Capítulo 6 Aplicaciones 83 Gireless Bypass Conexión punto-multipunto para servicio de datos en redes de cable Esta tecnología opera en la banda libre de 18GHz para ambos enlaces, el ascendente y el descendente. La compañía también cuenta con productos en la banda de 15GHz y 23GHz y ofrece diversas tasas de transferencia según el tipo de modulación empleado (PSK, FSK. QAM) y el rango de cobertura varía sustancialmente dependiendo del tipo de antena usado. El máximo desempeño se logra con una antena sectorizada a 90º para cubrir entre 1.6 y 3.2Km. El servicio conocido con “Gíreles Bypass” ofrece conexiones de datos inalámbricas de banda ancha desde un punto de acceso por cable a casa del cliente. Figura6.4 Gireless Bypass. La arquitectura de Wireless Bypass utiliza dos nuevos componentes de red: el concentrador/radio transceptor y la unidad de radio para el abonado. El concentrador (DL5800) se monta en un poste para aplicaciones punto a punto; la unidad de abonado consta a su vez de dos piezas: la unidad de radio transceptor (DL-2300 dúplex) y una de las seis antenas disponibles para colocar en el techo de la casa. Como se muestra en la Figura 6.4, la diferencia con tecnología Arcwave es que un solo radio de suscriptor (CPE) soporta diversos cablemódems a través de cable coaxial estándar en aplicaciones con múltiples usuarios distribuidos. Las antenas de microondas se utilizan ampliamente en los sistemas de comunicaciones por satélite, la televisión y de alta velocidad de transmisión de datos debido a su gran ancho de banda. Entre la variedad de antenas de microondas empleadas para los radioenlaces por satélite son las antenas de plato parabólico. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz TrangoLINK Giga El Giga de TrangoLink es un sistema licenciado de microondas digital full duplex que opera en bandas de 6GHz y 18 GHz entregando hasta 600+ Mbps (300+ Mbps full duplex). Emplea la topología de transmisión punto a punto [figura 6.5]. Está diseñado para aplicaciones de gran capacidad para operadores ISPs y usos corporativos empresariales; asimismo para aplicaciones públicas de celulares y Wimax. Figura 6.5 Red de distribución Posee una latencia muy baja: <150useg, puertos GigE, 8 puertos E1/T1 configurables, ideal para tráfico de información mixta; tanto IP como para el tradicional E1/T1, opciones altamente flexibles de administración de ancho de banda y modulación para lograr eficiencia espectral. Cuenta con características automáticas de inserción/reducción de puertos E1/T1, priorización (VLAN) y calidad de servicio (QoS). Cada TrangoLINK Giga consta de dos unidades interiores (IDU) y dos exteriores (ODU). La ODU se adhiere fácilmente a una antena externa para lograr enlaces de larga distancia. El sistema TrangoLINK Giga® es diseñado para dotar a la red de las siguientes características:  Más de 600+ Mbps ( 300+ Mbps full duplex)  Muy baja latencia / 150us  Soporte de canales FCC/IC con ancho de banda de 10, 20, 30, 40, 50, y 80 MHz.  Modulación flexible para aumentar la eficiencia espectral  Fácil instalación  Ocho puertos T1/E1 se añaden automáticamente para bajar el tráfico de datos cuando un abonado conecta o desconecta.  Fácil actualización “throughput” con la compra de licencia. Capítulo 6 Aplicaciones 85 Figura6.5 Red de una aplicación Trango Link Giga. El sistema TrangoLINK Giga® es diseñado para dotar a la red de alta capacidad inalámbrica para interconectar las redes más demandadas empleando tecnologías inalámbricas fijas o móviles como son: UMTS, 3G, 4G, WiMAX, Wi-Fi. Con todas estas aplicaciones en las que podríamos emplear tanto para la emisión como la recepción de señal antenas RLSA en la banda de 18GHz, queremos fomentar el uso de la banda de 18GHz y además que tanto usuarios como empresas del sector de Telecomunicaciones se conciencien de la aparición de multitud de aplicaciones para las bandas altas. Aunque existen aplicaciones en la banda de 18GHz para ofrecer información sobre los de efectos meteorológicos no los hemos expuesto debido a la escasa información que hay sobre dichas aplicaciones “innovadoras”. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz Capítulo 7 Referencias 87 Capítulo 7 REFERENCIAS .-Referencias [1] LIM TIEN SZE, “Linearly Polarised Radial Line Slot Array Antenna Radiation Pattern Modelling & Test-Bed Development for Direct Broadcast Satellite,” Universiti Teknologi Malaysia. [2] http://am.t.u-tokyo.ac.jp/index_e.html [3] http://kamome.lib.ynu.ac.jp/dspace/bitstream/10131/1305/1/A Naohisa [4] Ando M., Numata T., Takada J., Goto N. (1988) “A linearly polarized radial line slot antenna.” IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol. 36. No. 12. 1675-1680 [5] Takada, J., Ando M. and Goto N. (1992). “A reflection cancelling slot set in a linearly polarized radial line slot antenna.” IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol. 40. No. 4, 433-438. [6] Takada, J., Ando M. and Goto N. (1989). “A Beam-Tilted Linearly Polarized Radial Line Slot Antenna.” Electronics and Communications in Japan, Part 1, Vol. 72, No. 11, 27-34. [7] Davis, P.W. and Bialkowski, M.E. (1997). “Comparing Beam Squinting and Reflection Cancelling Slot Methods for Return Loss Improvement in RLSA Antennas.” Proceedings of The IEEE Antennas And Propagation Symposium (IEEE AP-S), 1938-1941, Montreal, Canada. [8] C. A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design,” John Wiley & Sons, Nueva York, 1997. [9] BIESECKER K.; “The Promise of Broadband Wireless”, IT Professional, Vol. 2, No. 6, p.p. 31-39, November/December 2000. Además de las referencias nombradas anteriormente, hemos obtenido información adicional en los siguientes enlaces: [1]K.C. Kelly (March 1957). “Recent Annular Slot Array Experiments.” IRE National convention Record. Vol 5, Part 1, 144-151. [2]Antennas: for all applications Kraus, John D. Marhefka, Ronald J [3] D.G. Berry. R. G. Malech, and W. A. Kennedy, “The reflectarray antenna” IEEE Trans. Antennas Propagat, Vol.1 AP-11. Nov, 1963, pp,645-651. [4]N. Goto, M. Yamamoto (August 1980), “Circularly Polarized Radial Line Slot Antennas.”IEEE Informe técnico, AP 89-54, 43. Diseño de una antena plana de alta ganancia para aplicaciones en la banda de frecuencias de 18GHz [5] J. I. Herranz-Herruzo, A. Valero-Nogueira, M. Ferrando-Bataller, “Radial-Line Slot-Array Antenna Loaded with Parasitic Strips for Improved Performance,” 2002 IEEE Antennas and Propagat. Int. Symp, vol. 4, Jun. 2003. [6]http://www.tdtprofesional.com/secc_detalles_producto/?id_articulo=1359&id_catego ria=9&home=true [7] http://www.winncom.com/moreinfo/item/WRHE2-180C/index.html [7] J.Hirowaka, M. Ando y N. Goto “An análisis of slot coupling in a radial linear slot antenna for DBS reception”, Informe técnico Octubre 1990. [8] PÉREZ GARCÍA N.A., SILVA MELLO L.A.R.; “Rain Attenuation Considerations in Broadband Wireless Systems Operating at Frequencies Above 10 GHz”, Proceedings oh the Third IEEE International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks (MWCN 2001), pp. 99-102, August 2001, Recife, Brazil.