Resumen 7 - Escuela Politécnica Nacional

“TENDENCIAS DE ANTENAS PARA COMUNICACIONES
INALÁMBRICAS”
GUALOTO ROBERTO
ALEMAN PEDRO
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Ladrón de Guevara y Ventimilla calle s/n
El aparecimiento de nuevos servicios, hace
necesario el desarrollo de nuevas técnicas para
tratar la información, junto con nuevos
dispositivos que las cubran necesidades y
requerimientos, de la/s aplicación/es.
La tendencia de reducir el tamaño de los
dispositivos de comunicación inalámbrica, de
manera de hacerlos mas ligeros, portátiles,
funcionales, es la principal atención de quienes
hacen investigación y desarrollo en este
campo, además la convergencia, que permita
el manejo de todo tipo de información voz,
datos, videos, centran el interés en el desarrollo
de equipos que soporten aplicaciones.
esto Se requiere visualizar las señales que se
tienen Para la comprobación de las señales en
esta banda servicios podemos utilizar un
analizados de espéctro Figura 1. CV-245 que
permite visualizar señales en la banda ISM
mediante el analizador de espectros.
Figura 1. Analizador de espectros para la banda
ISM
La miniaturización de los dispositivos debido a la
integración electrónica, hace que la antena se
vuelva significativamente la mas parte grade del
dispositivo. Así es como la reducción del tamaño
de la antena es la principal premisa, pero esto
trae consigo un cambio en la eficiencia y la
ganancia de esta.
En el presente artículo hacemos referencia los
parámetros más importantes que toman en
cuenta, los diseñadores en la creación de
modelos, así como herramientas para el diseño y
se revisa algunos modelos de antenas.
Un número creciente de servicios que utilizan la
banda ISM1. Accesos sin cables a redes de
ordenadores (wireless LAN), accesos a internet
dedicados para empresas o conexiones entre
dispositivos (Bluetooth, IEEE 802.11b) son
algunos ejemplos para operar en esta banda no
se requiere de licencias, por parte de entes
reguladores, sin embargo el uso de la misma
en muchas aplicaciones hace necesario el uso
de técnicas, para tratar la información debido a
1
(Industrial Scientific and Medical) de
frecuencias comprendida entre 2,4 GHz y 2,5
GHz
[email protected]
[email protected]
El servicio inalámbrico incluye, transmisión de
datos, voz, video (entretenimiento) Por ejemplo:
alta fidelidad de sonido digital por medio de
difusión por satélite disponible para usuarios
tanto fijos como móviles, continentales, servicio
satelital Digital Audio Radio Service (SDARS)
El servicio esta diseñado para la difusión de
audio, (música, noticias, deportes), de alta
calidad de para receptores móviles y terrestres
redes alámbricas.
El sistema del satélite Sinus generan señales
específicamente 3, cada una de estas señales
ocupa aproximadamente 1/3 de 12.5 Mhz,
estas señales son enviadas vía satélite usando
modulación QPSK 2y TDM3, para aumentar la
calidad de la señal
La tecnología Bluetooth Figura 2 comprende
hardware, software y requerimientos de
interoperatibilidad, por lo que para su desarrollo
ha sido necesaria la participación de los
principales fabricantes de los sectores de las
telecomunicaciones y la informática, tales
como: Ericsson, Nokia, Toshiba, IBM, Intel,
2
3
Modulación de fase en cuadratura
Múltiplexación por división de tiempo
3Com,
Agere,
Ericsson
y
Microsoft.
El diseño básico puede ser definido para
optimizar el rendimiento, utilizando elementos
de software de modelación. Se tiene: NEC4 ,
MININEC5 Y WIRE6 (FEM7) software, incluido
HFSS8 Y FDTD, adicionalmente programas
que han sido desarrollados para modelar y
evaluar rendimientos de diseños de antenas.
MININEC
También llamado el método de los momentos,
este es un método numérico que sirve para el
análisis de antenas, mediante la discretización
del problema, y la resolución de ecuaciones
resultantes.
Figura 2. Aparatos interconectados por Bluetooth
FDTD
REQUERIMIENTOS
DE
ANTENAS
Y
HERRAMIENTAS DE DISEÑO
Finite Difference Time Domain o FDTD para
analizar
geometrías
con
conductores,
dieléctricos y materiales magnéticos con
pérdidas, ferritas y muchos otros problemas
son muy difíciles de resolver con otros métodos
pero fáciles utilizando FDTD. Además, a
medida que los problemas se hacen
eléctricamente grandes, el método FDTD se
hace rápidamente más eficiente en cuanto a
tiempo de cálculo y aprovechamiento de
memoria respecto otros métodos. FDTD puede
proporcionar resultados en un amplio espectro
de frecuencias
Los parámetros a tomar en cuenta al modelar
una antena, son:
Ganancia
Eficiencia
Potencia
Polarización utilizada
Frecuencia/as en la que opera
Los diseños y el desarrollo del proceso
empiezan con una completa lista de
requerimientos
específicos
de
una
aplicación, parámetros y valores de otra que
ya se tenía, seguida de
investigación
ingenieríl.
Ejemplo: La respuesta de una antena, a una
onda plana es función del ángulo
de
recepción, esto se lo hace corresponder a
un modelo. El modelo de una antena de
transmisión es el mismo que el modelo de
recepción. La potencia de la antena es el
producto de la radiación efectiva
y la
directividad, se la compararla con un
modelo que radia uniformemente su
potencia.
En enlaces punto a punto los terminales
tienen antenas direccionales
con alta
ganancia. En enlaces punto multipunto,
como
para
comunicaciones
móviles
usualmente usa antenas omnidireccionales
de baja ganancia.
El método FDTD es la solución más directa a
ecuaciones de Maxwell. Es una solución
completa y "onda completa", o sea, no existen
aproximaciones que impidan llegar a una
solución correcta. No existe una preselección
de modos o formas de la solución. Las
condiciones de contorno se satisfacen
automáticamente. Si existe un fenómeno físico,
el método FDTD lo incluirá en la solución.
ANTENAS EMBEBIDAS
BAJA GANANCIA
DE
Como los radios portables se vuelven cada
vez más pequeños, las antenas tienen que ser
más compactas, para aplicaciones que operan
en estas bandas.
4
Códigos electromagneticos numericos
MiniNEC es un producto de EM Scientific
6
WIRE
7
Métodos de elementos finitos
8
HFSS es un producto de AESOFT Corp.
5
Estas antenas pueden proveer parámetros
suficientes de ganancia y ancho de banda,
direccionabilidad en aplicaciones específicas,
la ganancia tiene relación con el tamaño de la
antena, las mismas que son pequeñas,
típicamente de unos cuantos centímetros que
proveen bajas ganancias en relación a las
antenas de mayor tamaño. Entonces un
empuje para el desarrollo de antenas
embebidas, de diseños que tengan alto
rendimiento, y pequeño tamaño.
Muchos tipos de antenas de bajo perfil, de muy
alta eficiencia son aprovechadas en terminales
compactos estas incluyen, L invertida (ILA), F
invertida(IFA), doble F invertida(DIFA) y planar
invertida (FIFA).
WC-PIFA
Han sido investigados todas formas para
ampliar el ancho de banda de las antenas en
la familia PIFA sin sacrificar el rendimiento.
WC-PIFA es una antena trabaja con una
variedad de bandas, posee un gran de ancho
de banda, la antena planar invertida F(WCPIFA) opera en 2.4 Ghz
Descripción
La antena compacta (WCPIFA) puede ser
embebida dispositivos inalámbricos personales,
en sistemas futuros
incluida la tercera
generación de radios personales y dispositivos
Bluetooth. Esta antena también cubre bandas
GPS, PCS, de 2G segunda generación. Esta
propiedad multibanda ayudará a la transición
de
la
2G
a
la
3G.
Figura 3. Antena PC-PIFA, SWR en función de la
frecuencia, Lóbulo de radiación
• Frecuencia 1.525 – 2.515 GHz
• Ganancia tipica2.5 dBi
• Patrón de radiación Omnidireccional
• Polarization Linear
• Impedancia nominal 50 Ω
• VSWR 2:1
• Dimensiones 6x9x62 mm3
En base a un modelo computarizado WC-PIFA
tiene un modelo parecido a una antena
omnidireccional Figura 4 con un máximo de 2 a
3 dBi por ancho de banda. WC-PIFA puede ser
fácilmente incluido en dispositivos portátiles,
Ejemplo un PCM-CIA MODEM inalambrico.
Aplicaciones
• E911 (GPS)
• DCS-1800
• PCS-1900
• IMT2000/UMTS
• ISM (WLAN)
• BLUETOOTH
Descripción
Esta reducción significativa del tamaño
obtenida únicamente en este modelo de
antena, con esta geometría que maximiza el
rendimiento y eficiencia de la antena mientras
minimiza el tamaño, usa una polarización
circular, para minimizar la interferencia por
múltiples trayectorias
Especificaciones típicas para 2.4 GHz WLAN
SLH
• Frecuencia 2.2 – 2.6 GHz
• VSWR < 2:1
• Ganancia tipica 10 dBic
• Impedancia Nominal 50 ohm
• Size 3.75” x 3.75” x 6”
Figura 4. Antena SHL, Lóbulo de radiación, SWR
en función de la frecuencia,
La reducción significativa en tamaño, con alto
rendimiento permite hacer una antena SLH
muy atractiva para el uso en enlaces punto a
punto y punto multipunto a menos que se
requiera línea de vista. La SHL antena ha sido
comercializada para usarse en 2.4 Ghz en
sistemas WLAN, con ganancias de 10dBic en
una antena con una longitud axial de 2.4 Ghz.
Aplicaciones
• WLAN, 802.11
• Bluetooth
• Satellite communications
• PCS
ANTENAS BANDA
EXTENDIADA Y MULTI
BANDAS
Usuarios móviles acceden a varios servicios
en una banda de frecuencias. Ejemplos
servicios
de
comunicación
móvil,
posicionamiento,
localización,
servicios
celulares a 800Mhz PCS y GSM a 1990Mhz
GPS a 1500Mhz y bandas sin licencias de
2400Mhz, radiodifusión AM/FM convencional
que se hallan tradicionalmente en vehículos.
Tradicionalmente el aparecimiento de nuevos
servicios de comunicaciones para vehículos
requiere de otra antena, típicamente una
variante de un monopolo estos usualmente se
producen en vehículos de alta tecnología para
servicios públicos y comerciales. En la
fabricación de automóviles se están empleando
más comunicaciones electrónicas, dentro de
nuevos modelos, tarjetas del futuro tienen
antenas discretas que soportan muchas
funciones requiriendo antenas con capacidad
para múltiples bandas y ancho de banda, en la
fabricación de automóviles prefieren tener
antenas de baja potencia en una o en unas
pocas localizaciones del vehículo, para
soportar múltiples servicios inalámbricos
Figura 5. Antena sinuous
Este modelo fue analizado utilizando
los
métodos de momentos para deducir el
rendimiento
Antenas que cubren más de una banda, estan
siendo usados en nuevos teléfonos móviles,
que soportan PCS/GSM
ANTENA SINUOUS
Las
antenas
caracteristicas




tienen
las
siguientes
Wideband
Polarizacion circular
Bajo perfil
Puede utilizar polarizacion ortogonal
Estas antennas sopn utilizadas en radio
astronomía para sensores remotos.
Figura 6. Este modelo fue analizado utilizando los
métodos de momentos para deducir el rendimiento
Recientemente antenas, más compactas han
emergido como por ejemplo Foursquare Figura
7 y Fourpiont Figura 8
Una mezcla de un arreglo de antena, junto con
procesamiento digital (DSP), que optimizan lo
diagrama de transmisión dinámicamente en
respuesta a una señal de interés en el entorno.
ARREGLOS
Y
INTELIGENTES
ANTENAS
ANTENAS INTELIGENTES Un arreglo de
antenas puede estar constituido por elementos
activos y pasivos.
Las antenas inteligentes trabajan con arreglos
donde todos los elementos son activos.
Sin embargo al hablar de “inteligencia”, las
antenas no son inteligentes sino lo que es
inteligente es el sistema dado que puede
interactuar con el medio.
Figura 7 Arreglo Foursquare
Por tanto la inteligencia radica en la posibilidad
de variar el patrón de radiación una vez que se
ha implementado la antena.
Los sistemas de antenas inteligentes son
arreglos de antenas que mediante el control de
la fase y la amplitud de la excitación de cada uno
de los elementos que conforma el arreglo
permite variar la forma del patrón de radiación en
tiempo real.
Figura 8. Antena Fourpoint
La antena Foursquare tiene una relación SWR
ancho de banda de 2:1, Fourtpoint 3:1,
básicamente son arreglos de antenas,
superficiales, poseen polarizaciones, lineales,
una ganancia de 7 a 8 dB logrando estas
ganancia al configurar un arreglo.
Una antena inteligente es la combinación de un
arreglo de antenas (arrays) con una unidad de
procesamiento digital de señales (DSP) que
optimiza los diagramas de transmisión y
recepción dinámicamente en respuesta a una
señal de interés en el entorno.
El crecimiento continuo del número de usuarios
de sistemas de comunicaciones móviles y la
implementación de nuevas plataformas de
servicios móviles han provocado la necesidad
de aumentar sus capacidades al mas alto nivel
posible.
Los arreglos utilizan antenas múltiples, o
elementos múltiples, para lograr un alto
rendimiento que incluyen ganancias altas.
Los elementos deben ser examinados
cuidadosamente para permitir seguir la
dirección del Haz de radiación de los arreglos
por encima de un rango angular amplio dentro
de las frecuencias del ancho de banda del
arreglo.
omnidireccional
o
sectorizada,
así
transmitiendo a una misma potencia, se pueda
recibir la señal a una mayor distancia.
El testbed (prototipo de prueba), mostrado en la
Figura 8, opera en la banda de los celulares, en
la cual se obtuvo una ganancia entre 4.6 a 10.9
dB.
Si el espaciamiento entre elementos es
demasiado grande, entonces los lóbulos
radiados indeseables (la antena emite en otras
direcciones que en la dirección del lóbulo
deseado) se dirigirán hacia donde radie el
arreglo.
Las interacciones electromagnéticas entre los
elementos próximos del arreglo espaciados
estrechamente varían el modelo de radiación
de los elementos individuales y también afectan
los modelos de radiación del arreglo.
El
arreglo
puede
usar
elementos
omnidireccionales o elementos direccionales
que se orienten radialmente hacia el exterior.
El arreglo consiste típicamente en 30 a 100
elementos uniformemente espaciados.
Además de combinar los elementos para
formar un lóbulo de radiación simple, ellos
pueden ser usados individualmente para
proveer diversidad de ganancias en canales
que presentan desvanecimiento debido a la
interferencia por múltiple trayectoria.
Mediante sistemas de antenas inteligentes se
consigue aumentar la capacidad de conexión a
multiples usuarios simultáneamente con las
siguientes ventajas adicionales:





Incremento de la Capacidad y la
confiabilidad.
Reducción de potencia de transmisión.
Reducción de Propagación multitrayecto.
Reducción del Nivel de interferencia.
Incremento del nivel de seguridad.
INCREMENTO DEL ALCANCE
Con un arreglo de antenas la ganancia es
mayor que en el caso de una antena
REDUCCION DE
TRANSMISION
LA
POTENCIA
DE
Con el aumento de la ganancia producto del
arreglo de antenas, se incrementa la
sensibilidad de la antena de recepción, por lo
tanto se puede transmitir a una potencia mas
baja e incidir directamente en el consumo de
baterías.
El sistema de antenas inteligentes puede radiar
una potencia menor por lo cual se puede
reducir
las
especificaciones
de
los
amplificadores de potencia del sistema
asociadas al sistema de antenas, generando
una reducción de costos en las etapas de
amplificación
REDUCCION
PROPAGACION
MULTITRAYECTO
DE
Debido a la menor dispersión angular de la
radiación desde el sistema de antenas
inteligentes, se reducirán significativamente los
trayectos multiples de la información que
llegaría al equipo movil. Esto permite simplificar
el sistema de ecualización del sistema móvil.
de los servicios que ofrece
comunicación inalámbrica.
TIPOS
DE
INTELIGENTES



la
red
de
ANTENAS
De haz conmutado
De haz de Seguimiento
De haz Adaptativo
Sistema de haz conmutado
Dependiendo de la configuración del sistema
de antenas inteligentes, se pueden tener dos
situaciones:

Captación de la Onda principal de la
señal de interes, eliminando las señales
multitrayecto propias y las señales
interferentes de otros usuarios.

Captación de la onda principal de la
señal de interes aprovechando la
captación de sus señales multitrayecto,
para reforzar la señal principal, y
eliminar las señales interferentes de
otros usuarios.
INTERFERENCIA.
La selectividad espacial que proporciona el
sistema de antenas inteligentes, permite
discernir las señales interferentes provenientes
de otros usuarios con esto se logra hacer
insensible a la antena receptora en esas
direcciones y evitar que esas señales sean
procesadas en el sistema de recepción.
También permite reducir la potencia de
transmisión en la dirección de esos usuarios
para evitarles interferencias.
La reducción del nivel de interferencia reduce la
tasa de error (BER), lño que permite aumentar
la calidad de la transmisión de la información.
INCREMENTO DEL NIVEL DE
SEGURIDAD
Puesto que la transmisión entre el transmisor y
el receptor es direccional, es muy difícil que
otro equipo intercepte la comunicación, al
menos que este ubicado en la misma dirección
en que apunta el haz de la antena.
También se hace fácil la localización de
usuarios que estén haciendo uso fraudulento
El sistema genera varios haces a ángulos
prefijados
que
se
van
conmutando
secuencialmente dando como resultado un
barrido discreto de la zona de cobertura en
posiciones angulares fijas.
En cada posición discreta del haz se activa el
sistema de recepción para determinar la
posible existencia de señales. En caso de
recibir la señal, el sistema guarda información
correspondiente a la posición del haz (ángulo +
identificación de usuario) y se establece la
comunicación con el usuario en un intervalo de
tiempo. Después de ese intervalo se conmuta
el siguiente haz para detectar la existencia de
otros posibles usuarios hasta llegar al límite
angular de la zona de cobertura. Este proceso
se repite permanentemente en el tiempo.
Sistema Haz de seguimiento
antenas handhelp fue usado para medir
diversidad de ganancia de 7 a 9 dB al 1 % de
probabilidad acumulativa para diversidad
espacial, el modelo y diversidad de
polarización, usando dos ramas de diversidad.
Esta conformado por un arreglo de antenas con
una red de excitación que permite controlar
electrónicamente las fases de las corrientes de
excitación que llegan a los elementos del
arreglo para modificar la dirección del haz
convenientemente
y
establecer
una
comunicación con el usuario respectivo.
Sistema de haz adaptativo
Este testbed con arreglo de antenas handhelp
fue usado también para evaluar lóbulos de
radiación adaptables usando arreglos
del
handheld. Arreglos multipolarisados de cuatro
elementos lograron un SINR de 25 a 50 dB
después patrón de radiación en líneas de
igual a igual en escenarios con línea de vista, y
12 a 26 dB en escenarios de micro células.
Constituye el máximo nivel de inteligencia que
se le podría dar a un sistema de antenas. En
este sistema las salidas de cada elemento del
arreglo de antenas se ponderan con un valor
de peso cuyo valor se asigna dinámicamente
para conformar un diagrama de radiación que
presente el haz principal hacia la ubicación del
usuario deseado y los haces o lóbulos
secundarios hacia las direcciones de las
componentes del multitrayecto de la señal
deseada y mínimos o nulos de la radiación en
las direcciones de las fuentes de interferencia.
Figure 9 muestra la parte superior y las vistas
laterales de un arreglo handheld que es parte
de otro testbed. Este testbed con arreglo de
Figura 10 muestra los resultados experimento
interior en el cual los datos fueron grabados
mientras un receptor con un arreglo de cuatro
antenas dipolo de media longitud de onda con
un espaciamiento de 0.17 (landa) que cruzo a
través de un salón. Dos transmisores co-canal,
uno que proporciona una señal deseada y el
otro un señal de interferencia, operado en
cuartos fuera del salón. De la función de
distribución acumulativa, puede verse que
SINR para la señal deseada fue mejorada de
25 a 30 dB (la distancia horizontal entre
canales
4 curvas en la izquierda y el
Rendimiento después del patrón de radiación
en las curvas a la derecha) usando un
generador de lóbulos digital.
Patrón de radiación que fue realizado por una
variación del algoritmo de módulo constante
multi-objetivo.
inalámbricas permitiendo movilidad y tomando
encuenta el tamaño y diversidad de escenarios
que se puedan presentar.
Los dos testbeds descritos aquí usan señales
de banda estrecha. Futuras investigaciones
usaran señales de banda ancha y técnicas
espaciales
temporales
que
combinan
ecualización con diversidad y la generación de
patrones de radiación.
Se debe tomar muy encuenta las aplicaciones,
el ancho de banda disponible y los servicios
que se va prestar mediante estas antenas.
Mediante sistemas de antenas inteligentes se
consigue aumentar la capacidad de conexión a
multiples usuarios simultáneamente con las
siguientes ventajas adicionales:





Incremento de la Capacidad y la
confiabilidad.
Reducción de potencia de transmisión.
Reducción de Propagación multitrayecto.
Reducción del Nivel de interferencia.
Incremento del nivel de seguridad
Con el mejoramiento en la recepción y el
direccionamiento del lóbulo principal de
radiación y la anulación de lóbulos secundarios
para evitar interferencias mediante técnicas
como codificación, procesos o procesamiento
de señales así como técnicas de diversidad
podemos lograr un alto rendimiento con altas
ganancias.
Se pueden utilizar múltiples antenas o
elementos ya sean omnidireccionales o
direccionales
recordando
criterios
muy
importantes como la separación entre
elementos
así
como
la
Interacción
electromagnética entre estos.
CONCLUSIONES
El avance y nuevos servicios hace necesario,
crear nuevos modelos que permitan alcanzar
parámetros que hacen de la antena un
elemento, que definirá en un sistema el
rendimiento, eficacia.
En el caso de las antenas en general o de los
arreglos se define un patrón de radiación fijo.
Las antenas inteligentes trabajan con arreglos
donde todos los elementos son activos.
Al hablar de “inteligencia”, siendo estrictos las
antenas no son inteligentes sino lo que es
inteligente es el sistema dado que puede
interactuar con el medio
Se encuentran en desarrollo técnicas para
proporcionar
un
mejor
rendimiento
y
confiabilidad de las antenas en aplicaciones
Arreglos combinados con procesamientos para
implantar combinación de diversidad, la
generación de lóbulos de radiación adaptables
o procesamiento espacio tiempo para superar
los efectos de propagación e interferencia por
múltiples trayectorias.
Pueden utilizarse antenas múltiples para
incrementar la capacidad del canal con
codificación espacio tiempo.
Antenas reconfigurables alimentan redes y
arreglos enteros que servirán en aplicaciones
en que una sola antena convencional o un
arreglo no es conveniente.
Se tiene tres tipos de antenas inteligentes



De haz conmutado
De haz de Seguimiento
De haz Adaptativo
Siendo el de haz adaptativo
rendimiento e inteligencia
el
mayor
REFERENCIAS
1. Turbowave Inc (http://turbowave.com).
2. W.L. Stutzman and G.A. Thiele. Antenna
Theory and Design, Second edition, John
Wiley & Sons. New York 1998.
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(http://www.emsci.com).
4. Wire is a freeware moment method code
written by W.A. Davis.Further information.
5. S. Gonzalez, T. Materday, B. Garcia and R.
Gomez Martin, “Volume-Conformation
Method to Study Scattering by PEC
Objects
with
FD-TD”,
IEE
Proc.
Microwaves Antennas and Propagation, vol
142, pp. 131-136, 1996.
6. http://www.upv.es/antenas/Documentos_P
DF/Notas_clase/Historia_antenas.pdf
Pedro Alemán nace el 25 de febrero de 1981
en Quito, cursa sus estudios medios en el
Instituto Técnico Superior “Policía Nacional”,
ingresando a la Escuela Politécnica Nacional
en el año 1999 actualmente cursa el octavo
semestre de Ingeniería en Electrónica y
Telecomunicaciones.
GUALOTO ROBERTO, Nace en Quito el 19 de
octubre de 1981, estudia en el Colegio
Salesiano Don Bosco, desde primer grado
hasta sexto curso, en octubre de 1999 ingresa
a la Escuela Politécnica Nacional, actualmente
cursa el 8vo semeste de Ingeniería en
electronica
y
telecomunicaciones.