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INGENERARE / VOLUMEN 28, NÚMERO 2 - 2014 / 41
DISEÑO DE UN ARREGLO RECTANGULAR DE MICROCINTAS PARA
DISPOSITIVOS DE RED WI-FI 2.4 GHZ
DESIGN OF A RECTANGULAR ARRAY OF MICROSTRIP FOR NETWORK DEVICES WI FI 2.4 GHZ
G. Leija-Hernández, A. Iturri-Hinojosa, J. López-Bonilla
ESIME-Zacatenco, Instituto Politécnico Nacional, Edif. 5, 1er. Piso, Col. Lindavista CP 07738, México DF;
[email protected]
RESUMEN. Se presenta el diseño de un arreglo rectangular de antenas de microcintas para dispositivos de red del estándar IEEE 802.11
a 2.4 GHz. Este tipo de arreglos de antenas presentan una implementación factible ya que sus materiales son fácilmente adquiribles y
de bajo costo. También se destacan buenas características en adaptación con patrones de radiación estables en frecuencia. El trabajo
describe la caracterización de microcintas rectangulares con línea de
carga y el diseño de un arreglo rectangular 4x4 con este tipo de microcintas como elemento. Se presenta una estimación de los patrones de
radiación del arreglo diseñado para los objetivos de dispersión de haz
hacia 30 y 60 grados.
Palabras clave. Arreglo de microcintas, Arreglos de antenas de fase,
Antenas IEEE802.11.
ABSTRACT. The design of a rectangular microstrip array for IEEE
802.11 network devices is presented. This kind of antennas shows a
practical implementation since their materials are readily available and
are of low cost. Also, good characteristics of adaptation with stable
radiation pattern in frequency were observed. The characterization
of microstrip antennas that make up a 4x4 rectangular arrangement
is described. An estimation of the radiation patterns of the designed
array for the objectives of 30 and 60 degrees of beam scattering is
presented.
Key Words. Microstrip Arrays, Phased Array Antennas, IEEE802.11
Antennas.
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1. INTRODUCCIÓN
Los arreglos de antenas de microcintas son adecuados para
diversas aplicaciones debido a su reducido tamaño, bajo costo
de producción, elevada ganancia, bajas pérdidas de inserción,
niveles de potencia bajos de lóbulos laterales, amplio ancho
de banda y eficiente potencia de transmisión [1]. Las diversas
aplicaciones para los arreglos de microcintas son los sistemas
de radar, sistemas de comunicaciones satelitales, antenas para
misiles y aeronaves, transmisión directa de televisión satelital,
vehículos dirigidos con control remoto, redes de comunicaciones
de área local (WLAN) y sistemas militares [1,2].
En [3] se diseñó un arreglo rectangular de antenas microcinta
de 4x4 elementos, con polarización de onda circular en la banda
de frecuencia Ku, para transmisión directa de televisión satelital. Presenta un ancho de haz grande y buenas propiedades
de reflexión, con un coeficiente de reflexión de -22.72 dB. Su
ganancia máxima es de 16.7 dB, y un ancho de banda de 1.75
GHz, para una frecuencia central de trabajo de 12 GHz.
En [4] se exhibió un arreglo rectangular de antenas microcinta de
4x2 elementos, en la banda X de frecuencias para aplicaciones
satelitales utilizando tres tipos diferentes de materiales para el
substrato, seleccionando el de mayor eficiencia. El mejor material
del substrato presenta buena ganancia, directividad, además
de buena eficiencia en la radiación y un buen ancho de haz.
Su ganancia máxima es de 16.12 dB, una ROE de -22.82, lo
que hace esperar una pérdida de 1 a 2 dB en la ganancia, una
directividad de 16.51 dB, una eficiencia de radiación del 92.28%
y un ancho de haz de 22°, para una frecuencia de operación
de 10.15 GHz.
En [1] se diseñó un arreglo rectangular de antenas microcinta
de 2x2 elementos en un intervalo de frecuencias de 1.53 a 1.56
GHz, para comunicaciones satelitales. Este arreglo de antenas
presenta una relación axial baja de 3.5 dB, con un ancho de
banda de 30 MHz.
En [5] se mostró un sub-arreglo rectangular de antenas microcinta de 4x4, que está formado por 4 bloques de 2x2 elementos,
con doble polarización de onda, en la banda de frecuencias Ku,
para receptores de televisión satelital y transmisión directa por
sistemas de satélite DBS. Presenta un gran ancho de banda,
aislamiento entre sus puertos, dos modos de radiación, el modo
coplanar y el modo ranura de línea. Tiene un lóbulo principal
inferior a los -9 dB, con bajos niveles de lóbulos secundarios
menores a los -15 dB una banda de frecuencias de 10.75 a
12.75 GHz, una ganancia de 30 dBi.
2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS MICROCINTA
Una antena de microcinta consiste de un conductor radiador y
un substrato dieléctrico, con parámetros de longitud (L) y ancho
del conductor o parche (W), la altura del substrato dieléctrico (h),
la frecuencia de resonancia (fr), la constante dieléctrica efectiva
(
) y la longitud de una línea de alimentación al parche, que
se obtienen con las características del material del conductor y
dieléctrico utilizado.
(a)
(b)
Figura 1. a) Estructura típica de una antena de microcinta
b) Estructura de una antena microcinta con línea de alimentación
[6]
Los parámetros que definen las características de una antena
de microcinta, así como las de un arreglo de antenas microcinta,
se pueden obtener con las siguientes ecuaciones. El ancho del
parche (W), ver Figura 1a, se determina con la expresión:
(1)
donde
es la longitud de onda para la señal de
operación. La constante dieléctrica efectiva se obtiene con la
ecuación:
(2)
es la altura del substrato del parche de la Figura
donde
1a. Para calcular la longitud del parche ( ), ver Figura 1a, se
utilizan las siguientes ecuaciones [6], considerando la longitud
incremental ( ) del parche al borde del plano tierra:
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(3)
(4)
y para este caso
.
(5)
Para obtener la longitud de inserción
mentación se utiliza la ecuación:
de la línea de la ali-
(6)
(11)
La frecuencia de resonancia
( fr )
se deduce de la ecuación:
(7)
con
la permeabilidad del espacio libre y
en el espacio libre.
la permitividad
La antena microcinta (Figura 1a) irradia perpendicularmente al
plano de tierra y tiene un ancho de haz amplio. Para obtener el
campo eléctrico radiado se emplea la ecuación para el factor
de elemento [6-9].
Para que exista un acoplamiento entre la línea de alimentación
y la antena microcinta, ambos deben tener una resistencia
interna de 50 Ω.
3. ELEMENTO MICROCINTA PARA LA FRECUENCIA 2.4
GHZ
Para el diseño de una antena de microcinta se utilizan las ecuaciones (1) a (11), y se obtienen los parámetros geométricos de la
antena, teniendo en cuenta las características de los materiales
utilizados en el diseño para una frecuencia de operación de 2.4
GHz. Se considera la permitividad relativa (utilizando el substrato FR4 PCB) de 4.6, con tangente de pérdidas del conductor
(parche de cobre con espesor de 35 μm) de tan δ=0.022 y altura
de 1.6 mm. La siguiente tabla presenta los parámetros de cada
elemento de microcinta.
Tabla 1. Valores de los parámetros de la microcinta rectangular
para una frecuencia de operación de 2.4 GHz
(8)
Parámetros
W
Valores
37.4mm
4.2629
es el número de onda en el espacio libre.
donde
Para la antena microcinta con línea de alimentación (Figura 1b),
la longitud X0 está en función de la conductancia propia y de
la conductancia mutua de esta línea, las cuales se determinan
con las ecuaciones:
(9)
∆L
L
fr
G1
G12
X0
Y0
4.6
0.7437mm
28.7mm
2.3983GHz
9.3662 x10-4 Ω-1
5.8046x10-4 Ω-1
12.5mm
1.9mm
4. DISEÑO DEL ARREGLO DE ANTENAS DE MICROCINTA
(10)
tal que J0 es la función de Bessel de primer orden, dada por la
siguiente ecuación:
Un arreglo de microcintas rectangulares 4x4 con elementos
microcinta de la Figura 1 se muestra en la Figura 2. La red
de distribución de potencia contiene líneas de transmisión
hacia cada elemento del arreglo, todas de distinta longitud, las
cuales introducen desplazamiento de fase en las señales de
radiofrecuencia.
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5. ANÁLISIS DE RADIACIÓN EN LOS PLANOS E Y H
A continuación se presentan las características de radiación
para los objetivos de dispersión 30° y 60°, correspondientes
a un arreglo de microcintas rectangular de 16 elementos en
configuración planar 4x4, con espaciamientos entre elementos
(
) de 62.5 (media longitud de onda) y 31.25 (cuarto
de longitud de onda) milímetros.
Para obtener la dispersión de la onda hacia 30° en el plano E
es necesario introducir una diferencia de fase de 155.84° en
las señales de los elementos del eje “x” y 90° de diferencia de
fase en las señales de los elementos del eje “y”, considerando
espaciamiento entre elementos de media longitud de onda en
ambas direcciones.
Figura 2. Arreglo rectangular 4x4.Con los desplazamientos de
fase se consigue dispersión del haz principal radiado hacia un
ángulo deseado.
La Figura 3 presenta el resultado de los patrones de radiación en
) vista superior, con el objetivo de dispersión
el plano E (
del haz principal hacia la dirección
.
Los elementos de microcinta dentro del arreglo están espaciados
y
milímetros en función de la longitud de onda de
la señal. Las distribuciones de intensidad de campo eléctrico
en los planos H y E de un elemento de microcinta rectangular
se obtienen a partir de la ecuación (8), considerando
y
, respectivamente. La distribución de intensidad
del campo eléctrico de un arreglo de microcintas rectangulares
está dado por [9]:
(12)
siendo
y
el factor de elemento (microcinta rectangular)
el factor de arreglo dado por la ecuación [6]:
Figura 3. Patrones de radiación en plano E con dispersión hacia
con espaciamiento entre elementos de media y
cuarto de longitud de onda.
donde
,
.
(
)y
(
) son las diferencias de fase
entre elementos en dirección del eje
y del eje “y” respectivamente, introducidos por la red de distribución de potencia. El
lóbulo principal es irradiado en la dirección definida por el par
de ángulos (
).
El arreglo de microcintas con espaciamiento de media longitud
de onda entre elementos, irradia el lóbulo principal hacia la
dirección
y el nivel de potencia de los lóbulos
secundarios no supera los -9.5 dB. El patrón de radiación se
caracteriza por un ángulo de potencia media
.
Disminuyendo el espaciamiento entre elementos (
y
) a cuarto de longitud de onda el lóbulo principal está dirigido
con un ángulo de potencia media mayor a la
hacia
respuesta anterior, lo que indica menor directividad obtenida.
La eficiencia de esta geometría es menor al de espaciamiento
entre elementos igual a
.
La dirección de dispersión del haz se aproxima al objetivo au-
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mentando el número de elementos que conforman el arreglo. La
Figura 4 presenta las respuestas de escaneo de haz de arreglos
rectangulares con 10, 20, 30 y 40 elementos. Se observa que
conforme aumenta el tamaño del arreglo, la dirección del haz
principal se acerca al ángulo deseado, aumenta su directividad
y al mismo tiempo disminuye la potencia de los lóbulos secundarios.
Figura 4. Patrones de radiación en planos (a) E y (b) H para
distintas geometrías de arreglos rectangulares de microcintas.
6. PATRONES DE RADIACIÓN DEL ARREGLO DISEÑADO
El diseño de un arreglo de microcintas en configuración rectangular 4x4 es el propuesto en este trabajo para dispositivos WiFi
IEEE802.11, por su sencillez de fabricación e implementación.
A continuación presentamos sus características de radiación
con ángulos de radiación objetivos de 30 y 60 grados, en los
planos E y H.
Figura 5. Campo eléctrico lejano en los planos E (diagramas
superiores) y H (diagramas inferiores), para arreglo planar de
microcintas rectangulares 4x4.
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Para obtener la dispersión de la onda hacia 60° en el plano E es
necesario introducir una diferencia de fase de 90° en las señales
de los elementos del eje “x” y 155.88° de diferencia de fase en
las señales de los elementos del eje “y” con espaciamiento entre
elementos de media longitud de onda en ambas direcciones.
[4] H. Aurangzeb, B. Muneer, Q. Islam; “Design, substrates comparison and fabrication of 8-element high gain microstrip patch
antenna”. IEEE, 2nd, International Conference on Advances
in Space Technologies, Islamabad Pakistan, 29-30, 2008.
Las direcciones de radiación de plano E son más aproximadas
a los objetivos impuestos respecto a las del plano H.
[5] K. Badr; “Design and implementation of planar microstrip antenna
sub-array for satellite TV reception”. Antennas and Propagation IEEE (MECAP), Cairo, Egypt, 2010.
7. CONCLUSIONES
[6] C. Balanis; Antenna Theory: Analysis and Design; Wiley-Interscience, New York, Third Edition, 2005.
Se presenta el diseño de un arreglo de antenas microcinta tipo
alimentación por línea de microcinta empotrada como propuesta
para dispositivos de red Wi-Fi 2.4 GHz. Se describen los parámetros de diseño para una geometría rectangular 4x4. Con la
introducción de desplazamientos de fase se consigue direccionar
el lóbulo principal en una dirección deseada. Se presentan los
patrones de radiación de la estructura diseñada para la dispersión del haz hacia 30 y 60 grados en los planos E y H.
8. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo recibido por el Proyecto
SIP20141285.
REFERENCIAS
[1] S. Chebolu, S. Dey, R. Mittra, M. Itoh; “A dual-band stacked
microstrip antenna array for mobile satellite applications”.
Antennas and Propagation Soc. Intal. Symp. Vol. 1, pp.
598-601, 1995.
[2] R. Mailloux, J. Mcilevenna, N. Kernweis; “Microstrip array technology”. IEEE Trans. AP-29, pp. 25-37, 1981.
[3] C. Renxin, B. Dong, Ch. Yu; “Study and design of ku band direct broadcast satellite microstrip antenna array”. Comm.
Techn. And Appl. ICCTA’09 IEEE, Beijing, China, pp. 952957, 2009.
[7] G. Oliveira, J. Neto, H. Chaves-Fernandes; “Accurate analysis of
planar microstrip antenna array”. Int. J. Infrared and Milimeter Waves, vol. 24, No. 7, pp. 1159-1169, 2003.
[8] D. Pozar, D. Schaubert; Microstrip Antennas: The Analysis and
Design of Microstrip Antennas and Arrays; Wiley-IEEE,
New York, 1995.
[9] G. Splitt, Laboratory Manual: Microstrip Antenna Design, 2002.
RESEÑA BIOGRÁFICA
G. Leija-Hernández
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica egresada del Instituto
Politécnico Nacional (IPN), México D.F. Actualmente profesora titular
de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME).
Área de investigación: sistemas digitales de comunicaciones.
A. Iturri-Hinojosa
Doctor en Ingeniería egresado de la Universidad Nacional Autónoma
de México, México D.F. Actualmente profesor titular de la Escuela
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Área de investigación:
arreglos de antenas de fase.
J. López-Bonilla
Dr. en Física Teórica, ESFM-IPN. Profesor titular en la ESIME. Área
de Investigación: Métodos Matemáticos Aplicados a la Ingeniería.