Diseño y Pruebas de una Antena Miniaturizada para Aplicaciones de Radio Taxis

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1 Diseño y Pruebas de una Antena Miniaturizada para Aplicaciones de Radio Taxis José Joaquín Casas Melo Carlos Iván Páez Rueda Departamento de Electrónica Pontificia Universidad Javeriana Resumen En el siguiente artículo se presenta el diseño, optimización y evaluación experimental de un dipolo doblado miniaturizado con geometría meandro, diseñado para ser utilizado en aplicaciones de sistemas de banda ciudadana en VHF. El dipolo es diseñado para que a su primera frecuencia de resonancia, se obtenga una reducción de su longitud de un cincuenta por ciento (50%) con respecto a un dipolo recto resonante λ/2, manteniendo una aceptable eficiencia, impedancia de entrada, simplificación de las redes de acoplo y ancho de banda. Las curvas experimentales verifican la factibilidad de construcción de esta topología para ser utilizada en aplicaciones de comunicaciones inalámbricas en los sistemas de radios taxis. 1. Introducción El desarrollo de las diversas aplicaciones comerciales en radio frecuencia (RF) están sujetas a las dimensiones físicas de los componentes que los componen. Las dimensiones de una antena, como elemento básico de todo sistema de radiación, están fuertemente relacionadas con el inverso de la frecuencia de operación utilizada [1]. De esta forma, una antena operando a baja frecuencia, necesariamente tendrá una longitud grande si se desea operarla eficientemente. Muchas aplicaciones en la banda VHF requieren de antenas miniaturizadas eficientes para poder operar razonablemente, lo cual se traduce en una mayor calidad de la comunicación, de la cobertura, de la tasa de transmisión de datos, de la confiabilidad y de las facilidades de instalación, entre otros. Entre esas aplicaciones, se encuentra las comunicaciones inalámbricas de la banda ciudadana de los radio taxis, los cuales operan usualmente en VHF en la banda de 136MHz 174MHz, y por tal, tienen instalados antenas monopolo resonantes cuyas dimensiones típicamente están en el intervalo entre 0,5m 1,2m. La instalación de las antenas en esos móviles típicamente son en el techo o bordes del carro, como se ilustra en la Figura 1. Las dimensiones de los tipos de antenas usualmente monopolos resonante instalados en los móviles, son un problema para la seguridad de los peatones y para la movilidad del vehículo, ya que el automóvil no puede entrar o salir de forma segura y fácil de edificios, parqueaderos, etc. Utilizar una antena miniaturizada arbitraria traería como consecuencia su utilización ineficiencia, lo cual se traduce en una mala recepción por parte del radio taxi o una zona de cobertura muy inferior a la producida por su equivalente resonante. La capacidad de reducción en tamaño de una antena eficiente no es arbitraría y está sujeta a diversas cotas inferiores [2 5], encontradas a partir del comportamiento de los campos electromagnéticos cercanos al radiador. Diversas formas geométricas han sido propuestas para utilizar antenas miniaturizadas eficientes [6], cuya radio de recubrimiento a 1 está sujeta al límite fundamental 2π f a = c k, donde f es la frecuencia de operación y c es la velocidad de la onda electromagnética en el medio dieléctrico 2. La constante k depende del comportamiento 1 Distancia entre el centro de masas de la antena y el punto más alejado de su forma 2 para el vacío es aproximadamente 3x10 8 m/s

2 Figura 1. Taxi tradicional con una antena monopolo típica instalada de los campos electromagnéticos cercanos y de la geometría particular de la antena. Con topologías sofisticadas [7,8] la constante k puede tomar valores entre 0,25 y 0,5, logrando niveles de reducción de tamaño entre el 16% y 32%, comparado con un dipolo recto resonante λ/2. En la presente investigación se presentan las curvas de diseño obtenidas a partir de un modelo electromagnético y validación experimental de una antena dipolo doblada en configuración meandro, originalmente propuesta por [9]. Esta antena presenta la ventaja de mantener una geometría simple, que facilita la fabricación e instalación en vehículos, manteniendo simultaneamente la capacidad de miniaturización en el rango de 30% 50% comparado con un dipolo recto resonante λ/2. En la sección 2. se presenta la topología de la antena propuesta, las curvas de diseño obtenidas por medio del simulador electromagnético NEC-2 y el procedimiento de experimenta ción realizado. En la sección 3. se presentan los elementos de fabricación considerados, las pruebas y validación experimental realizadas y la justificación de sus diferencias con las curvas de diseño. Finalmente, en la última sección se presentan las conclusiones de esta investigación. 2. Desarrollo 2.1. Topología de la antena propuesta La antena dipolo meandro propuesta se observa en la Figura 2. En la configuración planteada, las variables utilizadas para el diseño fueron el largo de un brazo de la antena L y la sección del ancho w de cada doblado. Para los efectos de la generación de las curvas paramétricas propuestas, se consideraron las longitudes de la antena diseñadas a 50MHz, para que posteriormente el usuario genere un escalamiento lineal de la antena a la frecuencia requerida. Para el caso de la separación entre los meandros, se consideraron los rangos L 20 c L 15 sin una mayor diferencia entre los resultados obtenidos Diseño Como método computacional para evaluar la topología propuesta de la antena, se utilizó el método de los momentos para alambre delgados implementado por medio de la distribución de dominio público NEC-2. Este código electromagnético computacional ha sido utilizado en los últimos 30 años con éxito para modelar antenas de alambre y requirió para su utilización sistemática, de rutinas elaboradas Borland C y MATLAB para intercambio de parámetros y presentación de usuario final. La generación de las curvas de diseño fueron costosas en términos computacionales, ya que requirió de 4 días de simulación electromagnética y de 10 GB de memoria en disco duro para almacenar los resultados. 2

3 Figura 2. Geometría de la antena doblada meandro propuesta Para realizar el análisis de la antena propuesta, se construyeron dos gráficas variando el parámetro L en el rango de [0,5m,3,25m] y w en el rango [0,05m,0,19m]. En la Figura 3 se detalla las iso curvas analizando la impedancia de entrada de la antena a la frecuencia de 50MHz. En degrade se encuentra la parte imaginaria, en donde se puede observar las diferentes frecuencias de resonancia de la antena. En punteado se detallan los iso contornos relacionados con la parte real de la impedancia de entrada. La gráfica muestra que la antena propuesta tiene tres frecuencias de resonancia principales, de las cuales solo en la primera se logra una miniaturización de la antena en el rango de 30% y el 50%, comparado con un dipolo recto resonante λ/2. A su vez, se detalla que la impedancia en resonancia toma el rango de valores de [5Ω,20Ω]. Figura 3. Impedancia de entrada en Ohmios En la Figura 4 se detalla en iso contornos la ganancia de la antena, en donde se identifica la región de la primera resonancia serie. Esta gráfica muestra que la antena tiene un comportamiento de radiación isotrópico con valores de ganancia en los rangos de [0dBi,2dBi]. 3

4 Figura 4. Ganancia de la antena en dbi Un análisis más detallado del comportamiento de la antena propuesta, permite identificar que la dirección de máxima radiación deja de ser isotrópica cuando se encuentra la primera resonancia paralelo de la antena, la cual se identifica por el cambio abrupto en los valores de la parte imaginaria de la impedancia de entrada. Como punto de operación para la construcción de la antena, se escogió en las curvas de diseño un punto que lograra una miniaturización de la antena al 50% comparado con un dipolo resonante λ/2. Este punto corresponde al valor de L = 0,77 metros y w = 0,059 metros a la frecuencia de diseño de 50MHz. La frecuencia de operación experimental escogida corresponde a la banda de radio taxis en Bogotá, República de Colombia, la cual está localizada en la banda de 136MHz 174MHz. Los valores finales escalados de la propuesta son entonces de (L,w) = (25,67,1,97) cm. Los valores finales de la antena diseñada se detallan en la Figura 5, donde las longitudes y la posición de los segmentos utilizados para la simulación son detallados. Esta simulación particular fue realizada en EZ-NEC [10], software que simula los parámetros de radiación de antenas de alambre a partir del modelado de las densidades de corriente en los segmentos de cada alambre. Figura 5. Simulación de la antena propuesta en 150MHz Los valores de la impedancia de entrada y la ganancia en el plano E considerando los valores de diseño (L,w) 4

5 del punto de operación se detallan en la Figura 6. Los valores finales del diseño predicen una impedancia de entrada de la antena en resonancia de 16Ω y una ganancia máxima de 1,79 dbi. Figura 6. Ganancia e impedancia de entrada de la antena propuesta a 150 MHz 3. Resultados 3.1. Fabricación Para la fabricación del prototipo de la antena meandro propuesta, se debieron resolver varias aspectos de orden práctico. El primero, es considerar la particularidad del punto de alimentación de la antena. Como dos alambres suficientemente cercanos producen un fenómeno capacitivo entre las áreas transversales de los cilindros, lo cual afecta considerablemente la parte imaginaría de la impedancia de entrada, se fabricaron las terminaciones del punto de alimentación en forma cónica, como se ilustra en la Figura 7. Allí también se observa cual fue la forma escogida para sujetar los brazos del dipolo y la forma de conexión con el alambre conductor de cobre. Figura 7. Forma de alimentación Para sujetar los dipolos se debieron considerar los aspectos de estabilidad mecánica en la estructura, interconexión física y que su forma no alterará la inducción de las densidades de corriente en la superficie de los 5

6 alambres de aluminio en la dirección de la máxima ganancia. La base de sujeción fue realizada en fibra de vidrio reciclado. El prototipo final de dipolo diseñado se presenta en la Figura 8, en donde sus dimensiones físicas están relacionadas y comparadas con un brazo de un dipolo resonante equivalente λ/2. Figura 8. Prototipo final diseñado Para realizar las pruebas experimentales se diseñó un dipolo resonante a la misma frecuencia de operación del dipolo miniaturizado. Este se puede observar en la Figura 9, en donde se detalla todo la base diseñada para la fase de experimentación. Figura 9. Dipolo resonante λ/2 equivalente y aditamentos de instalación Finalmente, fue necesario diseñar un Balun (Balance Unbalance Transformer) con el objeto de poder alimentar simétricamente el dipolo. Este Balun fue implementado a través de un transformador 1:1 de montaje superficial en configuración de corriente y su PCB final se puede detallar en la Figura10. 6

7 Figura 10. Circuito final del Balun 3.2. Pruebas experimentales En la Figura 11 se detalla la parte real de la impedancia de entrada del prototipo construido versus sus datos simulados. El análisis de los datos se encuentra que la máxima variación porcentual entre lo diseñado y lo medido fue del 25%. Figura 11. Valores experimentales de la parte real de la impedancia de entrada De la misma forma, en la Figura12 se detalla la parte imaginaria de la impedancia de entrada del prototipo construido versus sus datos simulados. En esa figura, y aunque no se detalle dado que se presentan las curvas normalizadas con respecto a la frecuencia de resonancia de cada antena, se encontró un corrimiento en dicha frecuencia de resonancia de valor de 10MHz. En esta gráfica también se detalla la máxima variación porcentual con respecto a lo predicho, la cual fue del 23% y explícitamente sucede a bajas frecuencias. 7

8 Figura 12. Valores experimentales de la parte imaginaria de la impedancia de entrada En la Figura 13 se detallan los patrones de radiación en el plano E y en el plano H medidos versus el teórico a la frecuencia de resonancia. Aquí se encontró que el patrón de radiación en el plano H fue afectado por el mástil de 10 metros neumático que se utilizó para hacer las mediciones. (a) (b) Figura 13. Patrones de radiación. (a) Plano E. (b) Plano H. Finalmente, la Ganancia máxima estimada experimentalmente por medio de la técnica de dos antenas a la frecuencia de resonancia fue de 0.46 dbi, lo cual difiere en 1.3 db del valor predicho en este documento. 4. Conclusiones En el presente trabajo se presentaron las curvas de diseño y evaluación de una antena doblada en configuración meandro, miniaturizada en longitud al 50% con respecto a un dipolo resonante λ 2. La aplicación esperada para esta antena, es facilitar la instalación de los sistemas de comunicaciones de radio frecuencia en los automóviles que utilizan los radio taxis. Las curvas de diseño tiene una aceptable aproximación a los datos experimentales obtenidos, sin embargo la forma especifica de los dobleces requiere un análisis particular, el cual se propone a través de una ajunte fino del diseño de la antena física. 8

9 En la siguiente fase de desarrollo de esta aplicación, el grupo de investigación en telecomunicaciones SISCOM, procederá a rediseñar y optimizar la forma monopolo de esta antena para esta aplicación, incluyendo la interacción electromagnética con el carro. Esta situación es de gran relevancia para antenas miniaturizadas, ya que usualmente el entorno afecta considerablemente sus medidas de desempeño [1, 11]. 5. Agradecimientos Los autores desean dar sus agradecimientos a la Pontificia Universidad Javeriana y al Departamento de Electrónica de dicha universidad, por facilitar los recursos necesarios de Software, Hardware y personal para realizar a cabo la presente investigación. Referencias [1] C. A. Balanis, Antenna Theory. Analysis and Design. John Wiley and Sons, Inc., [2] L. J. Chu, Physical limitations of omnidirectional antennas, Research Laboratory of Electronics Massachusetts Institute of Technology, Tech. Rep., [3] J. S. McLean, A re-examination of the fundamental limits on the radiation q of electrically small antennas, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 44, no. 5, p. 672, may [4] R. Collin and S. Rothschild, Evaluation of antenna q, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 12, no. 1, pp , jan [5] H. Wheeler, Fundamental limitations of small antennas, Proceedings of the IRE, vol. 35, no. 12, pp , dec [6] J. Rashed-Mohassel, A. Mehdipour, and H. Aliakbarian, New schemes of size reduction in space filling resonant dipole antennas, march 2009, pp [7] S. R. Best, A study of the performance properties of small antennas, The MITRE Corporation, Tech. Rep., [8] J. Adams and J. Bernhard, Tuning method for a new electrically small antenna with low q, Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, vol. 8, pp , [9] J. Rashed and C.-T. Tai, A new class of resonant antennas, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 39, no. 9, pp , sep [10] R. W. Lewallen, EZNEC User Manual, W7EL. [11] L. Stulzman and G. A. Thiele., Antenna Theory and Design, S. Edition, Ed. Jhon Wiley & Sons, Hoja de Vida José Joaquín Casas Melo. Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, En el 2008 se vinculó como ingeniero de proyectos en el área de Radio Frecuencia en Huawei Technologies Colombia, participando en el proyecto de implementación de la tecnología 3.5G para el cliente TIGO. Posteriormente trabajó el área de transmisión con las redes de SDH y DWDM del cliente E.T.B. Actualmente trabaja en el área de datos con la red Metro-Ethernet del cliente E.T.B. Carlos Iván Páez Rueda. Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, Especialista en Investigación y Docencia, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, Magíster en Eléctrica con énfasis en Comunicaciones, Universidad de los Andes, En 1997 se vinculó como ingeniero de proyectos en el área inalámbrica en Colsago Com. En 1999 se vinculó como director de ingeniería y líder de proyectos relacionados con el diseño y optimización de redes inalámbricas en Tes América Andina. En el 2000 inició sus estudios de profundización científica en el área de las comunicaciones. En el 2002 trabajó como consultor e investigador en diferentes empresas y universidades de Colombia. En el 2004, se vinculó como gerente del área de inalámbricos de la Dirección de Expansión en EPMBOGOTA S.A. E.S.P. En el 2006, se vinculó a la Pontificia Universidad Javeriana como profesor de planta del Departamento de Electrónica, sección Comunicaciones. Actualmente se desempeña como profesor de planta en el Departamento de Electrónica y director del grupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) en dicha universidad, donde trabaja en las áreas de Teletráfico, Comunicaciones Inalámbricas y Hardware en Radio Frecuencia. 9

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