4.1. Estudio preliminar de posibles antenas.

Transcripción

1 Capítulo 4: Resultados Estudio preliminar de posibles antenas. El transceptor CC2430 puede usarse con varios tipos de antenas. Estas antenas podrán necesitar un circuito de adaptación de impedancia para mejorar sus características en relación a las pérdidas de retorno así como un balun en caso de que la salida de la antena hacia el transceptor sea no balanceada. El fabricante del transceptor propone como una de las antenas de implementación más sencilla la antena tipo dipolo folded, mostrada en la Figura 4.1, ya que no necesita un balun en la interfaz debido a que está adaptada a una carga balanceada. Figura 4.1: Antena dipolo folded propuesto por Texas Instruments [32]. El grosor del sustrato será típicamente de 0.5mm, sin embargo, y por especificaciones de diseño impuestas en el presente proyecto, se utilizará un sustrato de 1.6mm FR-4 epoxy. Teniendo en cuenta las especificaciones indicadas y los parámetros de antenas explicados en el Anexo IV, se ha realizado el estudio de diversas antenas, muchas de ellas modificaciones de antenas propuestas por el fabricante del circuito transceptor, utilizando el programa HFSS. Tras el 41

2 estudio de los resultados en simulación, se toman cuatro modelos, cada uno de una antena distinta, como candidatos a la implementación y se comparan sus características y resultados con el fin de valorar la mejor antena obtenida mediante simulación Antena dipolo folded perpendicular (DFP). El punto de partida es una antena preliminar propuesta por el Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Sevilla. Se trata de un dipolo folded de Texas Instruments [32] que se muestra en la Figura 4.2, doblada de forma perpendicular para conseguir una antena de unas dimensiones más ajustadas al circuito, ya que en la frecuencia de trabajo tiene un tamaño muy grande. Para las simulaciones de esta antena no se tuvo en cuenta el plano de tierra (ni, consecuentemente, la conexión de la antena con ésta), tal y como muestra la Figura 4.2 junto con sus dimensiones, por lo que en una primera aproximación para mejorar la antena perpendicular implementada, se tomó la antena perpendicular con las mismas dimensiones y se realizaron las simulaciones con el plano de tierra y su conexión a la misma, tal y como muestra la Figura 4.3. Figura 4.2: Antena dipolo folded perpendicular simulada por el GIB sin plano de tierra. 42

3 Figura 4.3: Antena dipolo folded perpendicular con plano de tierra. De acuerdo con las recomendaciones del fabricante, se añadió una inductancia de desacoplo en la pista que alimenta la etapa de radio frecuencia del transceptor (1.7 V en transmisión y 0 V en recepción). Dicha alimentación es proporcionada por el propio transceptor, y la bobina permite trasladar estas tensiones de continua a través de la antena hacia la circuitería de radiofrecuencia, evitando a su vez que la señal de radiofrecuencia pase hacia el módulo de alimentación. Además, las antenas deben encontrarse a la frecuencia de resonancia en el punto central de la carta de Smith siendo este punto el óptimo, ya que en este punto está asociado una impedancia de antena que proporciona un coeficiente de reflexión nulo, tal y como se explica en el Anexo IV. Para conseguir que la antena consiga esta impedancia óptima, será necesario incluir un componente pasivo en serie y otro en paralelo, el procedimiento para añadir el circuito de adaptación se muestra también en el Anexo IV. Debe tenerse en cuenta que al incluir un componente se incluyen unas pérdidas por inserción, por lo que se minimizará el número de componentes utilizados llegando a una solución de compromiso entre los componentes utilizados y la impedancia óptima. El punto medio de la antena es tierra virtual, lo que significa que una conexión se puede hacer al pin del transceptor CC2430 TXRX (el pin de alimentación de la antena) sin distorsionar rendimiento de la antena. El dipolo folded es una estructura resonante que debe ser menos sensibles a las variaciones de los componentes y ofrecer bajas pérdidas. Entre sus ventajas se 43

4 encuentra que se trata de una antena con salida balanceada y no precisa de balun adicional, así como que el patrón de radiación de un dipolo folded es omnidireccional en el plano normal a la antena. Además de la inductancia de desacoplo, la primera antena (sin plano de tierra) tiene un circuito de adaptación que consta de una inductancia en paralelo con una valor de 12 nh, en la segunda (con plano de tierra), la inductancia se ha variado para conseguir una correcta frecuencia de resonancia, tomando la inductancia en este caso un valor de 6.2nH. Este cambio del valor de la inductancia resulta como consecuencia de que al añadir el plano de tierra la frecuencia de resonancia disminuye hasta 2.255GHz, quedando la frecuencia deseada fuera de la zona de funcionamiento (s11= db). Se modificó el valor de la inductancia con el objeto de modificar la frecuencia de resonancia hasta el valor de GHz. En esta segunda antena también se añade una inductancia de desacoplo en serie de 12 nh. Al realizar las simulaciones se comparan las dos antenas en pérdidas de retorno, sin embargo en este parámetro no hay diferencias significativas, ya que en ambos casos la frecuencia de resonancia es la correcta (f Ghz) y las pérdidas de retorno están por debajo de los -10dB, tal y como se buscaba, siendo mejor la segunda antena por tener una valor de dB frente a los dB de la segunda antena, tal y como se observa en las Figuras 4.4 y 4.5. Ansoft Name Corporation X Y m Return Loss Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(1,1)) Setup1 : Sw eep db(s(1,1)) m Freq [GHz] Figura 4.4: Perdidas de retorno de la antena dipolo folded perpendicular sin plano de tierra. 44

5 Ansoft Name Corporation X Y m Return Loss Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(1,1)) Setup1 : Sw eep db(s(1,1)) m Freq [GHz] Figura 4.5: Perdidas de retorno de la antena dipolo folded perpendicular con plano de tierra. El ancho de banda o rango de frecuencias que están por debajo de los -10dB en las pérdidas de retorno, se manifiesta mucho mejor en la segunda antena, siendo de unos 400MHz en lugar de los 230MHz de la primera. En ambos casos cubre el rango de frecuencias del transceptor. En la carta de Smith se comprueba que las dos antenas se encuentran próximas al punto óptimo, siendo en este caso también, la segunda antena mejor frente que la primera. Ambas cartas de Smith se muestran en las Figuras 4.6 y 4.7. Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i 120 Input Impedance Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info S(1,1)) Setup1 : Sw eep m Figura 4.6: Carta de Smith de la antena dipolo folded perpendicular sin plano de tierra. 45

6 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i 120 Input Impedance Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info S(1,1)) Setup1 : Sw eep m Figura 4.7: Carta de Smith de la antena dipolo folded perpendicular con plano de tierra. Con respecto a la ganancia, se observan diferencias evidentes entre ambas simulaciones. El valor máximo en ambas es similar (1.7739dB en el primer caso y dB en el segundo). Sin embargo, el diagrama de radiación de la primera antena tiene forma toroidal, debido a que no se considera el plano de tierra en la simulación. En el segundo caso sí se tiene en cuenta, esto hace que el diagrama sea más irregular, tal y como puede verse en las Figuras 4.8, 9,10 y 11. En la antena preliminar no se han realizado las simulaciones con plano de tierra, por lo que la misma no deforma el patrón de radiación y es omnidireccional. Sin embargo, esta no es una simulación realista, ya que en la implementación, es necesario apantallar las antenas con un plano de tierra que evite la penetración de señal hacia dentro del cuerpo humano. Por tanto, el patrón de radiación correcto en el caso de la antena folded perpendicular es el segundo, ya que inluye los elementos necesarios para la implementación. 46

7 Figura 4.8: Plano XZ del diagrama de radiación de la antena dipolo folded perpendicular sin plano de tierra. Figura 4.9: Plano YZ del diagrama de radiación de la antena dipolo folded perpendicular sin plano de tierra. 47

8 Figura 4.10: Plano XZ del diagrama de radiación de la antena dipolo folded perpendicular con plano de tierra. Figura 4.11: Plano YZ del diagrama de radiación de la antena dipolo folded perpendicular con plano de tierra. Se realizó una implementación de la antena dipolo folded perpendicular, la cual fue la primera en diseñarse, para comprobar su correcto funcionamiento. Para ello, la antena diseñada se conectó a un prototipo del transceptor y ambos fueron situados a 4 metros de distancia de una antena monopolo receptora, y acoplada esta a su vez a un analizador de espectro (SFL6 de Rohde & Schwarz). El transistor se programó en el canal 19 (f=2.445ghz), quedando la frecuencia central entre el canal 18 y el 19. La antena implementada y el analizador de espectro 48

9 se muestran en las Figuras 4.12, 4.13 y Figura 4.12: Circuito completo implementado con la antena dipolo folded perpendicular. Figura 4.13: Detalle de la antena perpendicular dipolo folded implementada. Figura 4.14: Analizador de espectro utilizado. 49

10 Se realizaron dos modelos: inductancia en paralelo del circuito de adaptación de valor 12nH (primer aproximación sin plano de tierra) y de valor 6.2nH (valor tras simulación con plano de tierra). Se tomaron 5 medidas distintas de la potencia recibida y se comparó la media de éstas. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.1: Tabla 4.1. Comparativa medidas DFP con componentes ajustados mediante simulación sin tierra y con componentes ajustados mediante simulación con tierra. Potencia recibida (Antena 1) Potencia recibida (Antena 2) Medida dBm -60.7dBm Medida dBm -58.0dBm Medida dBm -63.2dBm Medida dBm -60.5dBm Medida dBm -61.5dBm Potencia media dBm dBm La potencia media recibida no muestra cambios significativos ni mejoras, sin embargo, este era un dato que se preveía con los resultados de la simulación, ya que el valor máximo de la ganancia es similar. La potencia captada tiene una media de dbm, la cual cumple con la especificación de sensibilidad del dispositivo receptor, de -92 dbm [58]. Además pudo comprobarse el correcto envío y recepción de datos de forma inalámbrica incluso a 15 metros de distancia Antena dipolo folded adaptada (DFA). El problema fundamental de la antena perpendicular analizada era el tamaño, ya que como se ha comentado al exponer las especificaciones de diseño, se busca una antena de tamaño reducido. En este sentido, y partiendo de la antena perpendicular anterior, se han realizado una serie de modificaciones a la misma para reducir su tamaño. Se presentan a continuación dos antenas que se ajustan al plano de tierra. Aunque dichas antenas no son significativamente más pequeñas, el estar más ajustadas al circuito hace que el tamaño total de estas sea menor. 50

11 Antena dipolo folded adaptada 1. La primera antena que se presenta es un primer ajuste al tamaño del plano de tierra y se muestra en la Figura Se ha utilizado una forma realista del sustrato con el fin de obtener una simulación más precisa. Para conseguir que el circuito funcione a la frecuencia deseada, la inductancia en paralelo toma ahora el valor de 22nH. Figura 4.15: Antena perpendicular modificada 1. Las pérdidas por retorno cumplieron las expectativas en cuanto a perdidas por retorno (Figura 4.16) y ganancia (Figuras 4.18, 4.19 y 4.20), quedando también cerca del punto óptimo en cuanto pérdidas por retorno, como se comprueba en la carta de Smith (Figura 4.17). 51

12 Ansoft Name Corporation X Y m Return Loss Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(1,1)) Setup1 : Sw eep db(s(1,1)) m Freq [GHz] Figura 4.16: Pérdidas por retorno de la antena dipolo folded adaptada 1. Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info S(p1,p1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.17: Carta de Smith de la antena dipolo folded adaptada 1. 52

13 Figura 4.18: Plano XY del diagrama de radiación la antena dipolo folded adaptada 1. Figura 4.19: Plano XZ del diagrama de radiación la antena dipolo folded adaptada 1. 53

14 Figura 4.20: Plano YZ del diagrama de radiación la antena dipolo folded adaptada Antena dipolo folded adaptada 2. La segunda antena presentada es un ajuste más preciso al tamaño del plano de tierra y se muestra en la Figura En este caso también se ha recortado el substrato con el fin de obtener una simulación más precisa. Para conseguir que el circuito funcione a la frecuencia deseada, la inductancia en paralelo toma también el valor de 22nH. Figura 4.21: Antena dipolo folded adaptada 2. 54

15 En las simulación se comprobó que, como era de esperar debido a la mínima variación entre ambas, las características de la antena modificada 2, que se observa en las Figuras 4.22, 4.23, 4.24, 4.25 y 4.26, son muy similares a los de la antena modificada 1. Ansoft Name Corporation X Y m Return Loss Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(1,1)) Setup1 : Sw eep db(s(1,1)) m Freq [GHz] Figura 4.22: Pérdidas por retorno de la antena dipolo folded adaptada 2. Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i 120 Input Impedance Dipole_Antenna_ADKv1 Curve Info S(1,1)) Setup1 : Sw eep m Figura 4.23: Carta de Smith de la antena dipolo folded adaptada 2. 55

16 Figura 4.24: Plano XY del diagrama de radiación la antena dipolo folded adaptada 2. Figura 4.25: Plano XZ del diagrama de radiación la antena dipolo folded adaptada 2. 56

17 Figura 4.26: Plano XY del diagrama de radiación la antena dipolo folded adaptada 2. Las dos antenas son similares en cuanto a sus características, por lo que la mejor candidata sería la segunda, ya que con ella el tamaño total del circuito es menor Small Size 2.4 GHz PCB antenna. Meandered Inverted F Antenna (MIFA) (Adaptación de la AN043 de Texas Instruments). La antena MIFA que se describe en este apartado es una adaptación de la antena propuesta por Texas Instruments para el transceptor CC2430 para aplicaciones donde se requiere una antena de pequeño tamaño [33]. La antena que se propone en este apartado es sensible a cambios en las dimensiones y garantiza que se refleja menos del 10% de la potencia que llega a la antena. El tamaño del plano de tierra afecta al rendimiento de la antena PCB. El ancho de banda de la antena MIFA es bajo, y será el factor limitante en esta antena. La línea de transmisión de la antena se adapta a 50Ω, lo cual significa que necesitará un balun puesto que la antena no está adaptada a una carga balanceada. El balun utilizado para adaptar la carga es una adaptación del balun propuesto por Texas Instruments para el transceptor CC2430 [34], modificado sensiblemente para ajustarlo al sustrato de 1.6 mm (Texas Instruments propone el balun para 1 mm de sustrato). Este balun propuesto es simple y emplea tres componentes, es sensible a cambios en la linea de transmisión, el espesor del sustrato y la variación del material. En las simulaciones se ha hecho necesario ajustar los valores de los componentes para cada caso. Además del balun utilizado, se ha considerado para una futura 57

18 línea de investigación el balun propuesto por ANAREN [35] de menor tamaño y que emplea un menor número de componentes, estando su diseño adaptado al transceptor CC2430. El balun no genera potencia. En cambio, todo balun tiene pérdidas. Se le llama pérdida de inserción a la atenuación sufrida por la señal a la salida del dispositivo. Algunos modelos se presentan sin balun para su posible implementación en el futuro con el balun de ANAREN, ya que este balun tiene un tamaño mucho menor y utiliza menos componentes, lo que reduce las pérdidas se inserción. Se propone como línea futura de investigación, la implementación de algunas de las antenas presentadas en este apartado con el balun de ANAREN para evaluar su comportamiento. En los casos sin balun fue necesario añadir un circuito de adaptación conforme a lo expuesto en el Anexo IV. Se trabajó en impedancias para conseguir un circuito en serie con la línea de alimentación, ya que la inclusión de componentes en paralelo dificulta la implementación Antenas MIFA propuestas MIFA modelo 1. Este modelo de antena mostrado en la Figura 4.27, no tiene circuito de adaptación y la frecuencia de resonancia se ha ajustado cambiando la longitud resonante del parche. Esto hace que la ganancia sea mayor que la de una antena con circuito de adaptación, sin embargo, no se consigue una antena óptima (centrada en la carta de Smith) como se observa en la Figura 4.29, por lo que las perdidas de retorno son altas, aunque dentro de los límites marcados por los criterios de diseño. 58

19 Figura 4.27: Antena MIFA modelo 1. Las pérdidas por retorno de la antena se ven en la Figura 4.28 y están por debajo de los -10dB, por lo que cumple la restricción con respecto a la potencia que debe llegar a la antena, sin embargo, el valor de s11(f=2.44ghz) es de dB, estando muy cerca del límite y permitiendo poco margen a la hora de implementar este modelo. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 2 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.28: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 1. 59

20 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.29: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 1. La ganancia de la antena, mostrada en la Figura 4.30, tiene un buen patrón de radiación, ya que es omnidireccional en el plano YZ y cumple las especificaciones. Figura 4.30: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 2. Esta antena (Figura 4.31) es una modificación de la antena MIFA modelo 1, a la cual se le añade un circuito de adaptación, tal y como se explica en el Anexo IV. Esto permite disponer la frecuencia central casi en el centro de la carta de Smith (Figura 4.33), consiguiendo así una antena casi óptima en cuanto a perdidas de retorno (Figura 4.32), sin embargo, la ganancia es mucho más baja que en el caso anterior, como muestra la Figura

21 Figura 4.31: Antena MIFA modelo 2. Ansoft Name Corporation X Y m m XY Plot 1 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m1 m Freq [GHz] Figura 4.32: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 2. 61

22 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m1 m Figura 4.33: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 2. Figura 4.34: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 3. En este modelo sin balun, mostrado en la Figura 4.35, se ha dispuesto en la placa de forma que ocupe el menor espacio posible, para ello se ha hecho necesario modificar las dimensiones de la antena. Cumple la restricción de ganancia. 62

23 Figura 4.35: Antena MIFA modelo 3. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 2 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.36: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 3. 63

24 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.37: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 3. Figura 4.38: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 4. En este caso se ha recortado el substrato del modelo 3 de forma que las dimensión total de la placa es menor y se ajusta mejor al circuito, como se muestra en la Figura Sin embargo, no se cumplen las especificaciones en cuanto a pérdidas de retorno, tal y como se observa en la Figura 4.40, por lo que, aunque de menor tamaño, este modelo no es valido. 64

25 Figura 4.39: Antena MIFA modelo 4. Ansoft Name Corporation X Y 0.00 m XY Plot 2 HFSSDesign1 Curve Info db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.40: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 4. 65

26 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX Smith Plot 1 HFSSDesign1 m i Curve Info S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.41: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 4. Figura 4.42: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 5. Con el objeto de minimizar el tamaño de la antena, se ha reubicado la misma en la placa, ajustando de nuevo la longitud resonante de la antena y recortando el substrato. Este modelo, que se muestra en la Figura 4.43, no cumple las especificaciones (Figura 4.44 y 4.45), por lo que aunque su tamaño es menor, no será válido. 66

27 Figura 4.43: Antena MIFA modelo 5. Ansoft Name Corporation X Y 0.00 m XY Plot 2 HFSSDesign1 Curve Info db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.44: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 5. 67

28 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX Smith Plot 2 HFSSDesign1 m i Curve Info S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.45: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 5. Figura 4.46: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 6 (R=8ohm, L=0.6nH). Al modelo 5 (Figura 4.47) se le ha añadido un circuito de adaptación para conseguir mejores prestaciones con respecto a las perdidas de retorno. Sin embargo, al intentar mejorar este parámetro, empeora la ganancia, no pudiendo conseguirse que se cumplan las dos especificaciones de forma simultanea. Este modelo es, por tanto, no válido. 68

29 Figura 4.47: Antena MIFA modelo 6. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 2 HFSSDesign1 Curve Info db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) Freq [GHz] m1 Figura 4.48: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 6. 69

30 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX Smith Plot 2 HFSSDesign1 m i Curve Info S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.49: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 6. Figura 4.50: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 7 (R=22ohm, L=1.5nH). Se retomó la antena del modelo 2, que hasta este momento es la única que ha cumplido todos los requisitos, incluyendo el ancho de banda, y se recorta el substrato, como se muestra en la Figura Al hacerlo, cambia la frecuencia central, por lo que se realizan ajustes de la longitud resonante del parche para solucionarlo. 70

31 Figura 4.51: Antena MIFA modelo 7. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 1 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.52: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 7. 71

32 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.53: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 7. Figura 4.54: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 8 (BALUN: L1=12nH, L2=7.8nH, C=10nF). Al modelo 8, mostrado en la Figura 4.55, se le ha añadido un balun para conseguir una antena balanceada y adaptada a la impedancia del transceptor en la frecuencia de resonancia. Esta antena es óptima en cuanto a perdidas de retorno y tiene una ganancia alta. Su problema reside en que el tamaño con el balun es considerable. 72

33 Figura 4.55: Antena MIFA modelo 8. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 2 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.56: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 8. 73

34 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.57: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 8. Figura 4.58: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 9 (BALUN: L1=12nH, L2=8.501nH, C=10nF). La antena del modelo 9 (Figura 4.59) tiene el mismo tamaño que la del modelo 1. La diferencia reside en que en el modelo 9 se le añade un balun para conseguir una antena balanceada. Esta antena es casi óptima en cuanto a pérdidas de retorno y tiene una ganancia alta. Su problema reside en que el tamaño con el balun sigue siendo muy grande. 74

35 Figura 4.59: Antena MIFA modelo 9. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 2 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.60: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo 9. 75

36 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.61: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 10. Figura 4.62: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 10 (BALUN: L1=12nH, L2=7.6nH, C=10nF). La antena que se muestra en la Figura 4.63, tiene el mismo tamaño que las anteriores pero su disposición en la placa hace que el tamaño total de la placa sea más reducido. La ganancia está dentro de los límites exigidos en las simulaciones. 76

37 Figura 4.63: Antena MIFA modelo 10. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 2 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.64: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo

38 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.65: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 10. Figura 4.66: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 11 (BALUN: L1=12nH, L2=8nH, C=10nF). La antena y el balun tiene el mismo tamaño que las anteriores pero su disposición en la placa hace que el tamaño total de la placa sea más reducido. La ganancia es menor que la mínima deseada, por lo que no es un modelo válido. 78

39 Figura 4.67: Antena MIFA modelo 11. Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 3 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.68: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo

40 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.69: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 11. Figura 4.70: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo MIFA modelo 12 (BALUN: L1=12nH, L2=8.2nH, C=10nF). El modelo 12, mostrado en la Figura 4.71, es una modificación del modelo 10. Se ha recortado el substrato y se ha aumentado la longitud resonante de la antena para ajustar la frecuencia central. 80

41 Figura 4.71: Antena MIFA modelo 12. Figura 4.72: Pérdidas por retorno de la antena MIFA modelo

42 Figura 4.73: Carta de Smith de la antena MIFA modelo 12. Figura 4.74: Diagrama de radiación de la antena MIFA modelo

43 Comparativa En la Tabla 4.2 se expone una comparativa de las características de los 12 modelos propuestos. Tabla 4.2. Comparativa de las diferentes antenas MIFA propuestas por sus resultados en simulación. Tamaño Pérdidas de Modelo Óptimo Posee BALUN Posee circuito BW: Funciona Ganancia retorno de adaptación en todo el rango de frecuencias deseadas Modelo 1 Medio OK (-10.6 db) NO NO NO NO OK (1.46dB) Modelo 2 Medio OK (-25 db) SI NO SI SI OK (-0.8dB) Modelo 3 Medio OK (-10.9 db) NO NO NO NO OK (1.2dB) Modelo 4 Pequeño NOOK (-6 db) NO NO NO NO OK (0.49dB) Modelo 5 Muy pequeño NOOK (-6dB) NO NO NO NO OK (0.49dB) Modelo 6 Muy pequeño NOOK (-9,5dB) NO NO NO NO OK (-1dB) Modelo 7 Pequeño OK (-32dB) SI NO SI SI OK (-0.3dB) Modelo 8 Muy grande OK (-40dB) SI SI SI SI OK (1.9dB) Modelo 9 Muy grande OK(-22dB) SI SI NO SI OK (1.8dB) Modelo 10 Grande OK (-16dB) SI SI NO SI OK (-0.7dB) Modelo 11 Medio OK (-15dB) NO SI NO SI NOOK (-4.5dB) Modelo 12 Medio OK (-16dB) NO SI NO SI OK (-0.5dB) De todos los modelos sin balun, los modelos 2 y 7 cumplen todas las especificaciones, siendo el modelo 7 de menor tamaño que el 2. Será por tanto el modelo 7 el candidato a la implementación en un futuro con el balun de ANAREN [35]. De los modelos con balun, los modelos 8, 9, 10 y 12 cumplen todas las especificaciones, siendo el modelo 8 el que las cumple con mayor margen. Sin embargo, el modelo 12 es más pequeño que el 8 y será considerado mejor candidato para su implementación. En la Figura 4.75 se muestran las dimensiones del modelo 12 seleccionado. 83

44 Figura 4.75: Medidas antena MIFA seleccionada para su implementación (modelo 12) Antena de 2.4 Ghz. Adaptacion Inverted F Antenna La antena IFA que se describe en este apartado es una adaptación de una antena IFA propuesta por la ayuda del programa de simulación HFSS, para la impedancia y la frecuencia central marcada por el transceptor CC2430. Necesita un balun puesto que no está adaptada a una carga balanceada. La línea de transmisión que alimenta la antena se adapta a 50Ω. Tiene un alto ancho de banda que lo hace menos sensible a desadaptación por encapsulado. Se presentan varios modelos Modelo 1 Las dimensiones del primer modelo propuesto de la antena IFA tiene su base en la ayuda del programa HFSS de ANSOFT. Aún modificando estás dimensiones, no se ha conseguido que cumpla simultáneamente las condiciones de pérdidas de retorno y ganancia. Este modelo no tiene circuito de adaptación ni balun y cumple las especificaciones de ganancia pero no de pérdidas de retorno (ni, consecuentemente, las de ancho de banda). Por este motivo, el modelo 1 no ofrece 84

45 una solución válida. Figura 4.76: Antena Adaptación Inverted F Antenna modelo 1. Ansoft Name Corporation X Y m Perdidas de retorno PIFA_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(p1,p1)) Setup1 : Sw eep db(s(p1,p1)) m Freq [GHz] Figura 4.77: Pérdidas por retorno de Adaptación Inverted F Antenna modelo 1. 85

46 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot PIFA_Antenna_ADKv1 Curve Info S(p1,p1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.78: Carta de Smith de Adaptación Inverted F Antenna modelo 1. Figura 4.79: Diagrama de Adaptación Inverted F Antenna modelo Modelo 2 (R=20ohm, L=0.6nH) El segundo modelo toma el modelo 1 y añade un circuito de adaptación. Tampoco tiene balun. En este caso se cumplen las pérdidas por retorno pero no la ganancia, por lo que éste tampoco es un modelo válido. 86

47 Figura 4.80: Antena Adaptación Inverted F Antenna modelo 2. Ansoft Name Corporation X Y m Perdidas de retorno PIFA_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(p1,p1)) Setup1 : Sw eep db(s(p1,p1)) m Freq [GHz] Figura 4.81: Pérdidas por retorno de Adaptación Inverted F Antenna modelo 2. 87

48 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot PIFA_Antenna_ADKv1 Curve Info S(p1,p1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.82: Carta de Smith de Adaptación Inverted F Antenna modelo 2. Figura 4.83: Diagrama de Adaptación Inverted F Antenna modelo Modelo 3 (R=10ohm, L=1.2nH) El modelo 3 cumple las restricciones tanto en pérdidas de retorno, como en ganancia, así como en ancho de banda. La frecuencia central no es f=2.4425ghz, sin embargo, se encuentra próxima y en ella se cumplen todas las condiciones. Si bien cumple estos requisitos, aún precisaría de un balun para que la salida de la antena sea balanceada. El tamaño de esta antena, aún sin incluir el balun necesario para su funcionamiento, hace que esta antena no sea una buena 88

49 candidata para su implementación. Figura 4.84: Antena Adaptación Inverted F Antenna modelo 3. Ansoft Name Corporation X Y m Perdidas de retorno PIFA_Antenna_ADKv1 Curve Info db(s(p1,p1)) Setup1 : Sw eep db(s(p1,p1)) m Freq [GHz] Figura 4.85: Pérdidas por retorno de Adaptación Inverted F Antenna modelo 3. 89

50 Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot PIFA_Antenna_ADKv1 Curve Info S(p1,p1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.86: Carta de Smith de Adaptación Inverted F Antenna modelo 3. Figura 4.87: Diagrama de Adaptación Inverted F Antenna modelo Antena PCB de 2.4 GHz. Inverted F Antenna (adaptación de la DN007 de Texas Instruments). La antena IFA que se describe en este apartado es una adaptación de la antena propuesta por Texas Instruments para el transceptor CC2430 para aplicaciones donde se requiere de una antena de pequeño tamaño [36]. La línea de transmisión que alimenta la antena se adapta a 50Ω, 90

51 por tanto necesita un balun ya que no está adaptada a una carga balanceada. Se utiliza el mismo modelo de balun que en la antena MIFA y las mismas especificaciones para incluir circuitos de adaptación de impedancias. Proporciona un alto rendimiento y tiene un ancho de banda elevado, lo que la hace poco sensible a la desadaptación. Sus dimensiones son grandes con respecto al plano de tierra, y aún necesitaría un balun que haría que el tamaño fuera mayor Modelo 1 (R=28ohm, C=0.815pF) El modelo 1 de la antena DN007 no tiene balun pero sí circuito de adaptación. Cumple todos los requisitos. Figura 4.88: Antena IFA modelo 1. 91

52 Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 1 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.89: Pérdidas por retorno de la antena IFA modelo 1. Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.90: Carta de Smith de la antena IFA modelo 1. 92

53 Figura 4.91: Diagrama de la antena IFA modelo Modelo 2 (R=28ohm, C=1nF) Este modelo tiene el substrato recortado y otro circuito de adaptación completamente distinto al del modelo 1. Cumple todas las especificaciones y será candidato a la implmentación con el balun de ANAREN [35]. Figura 4.92: Antena IFA modelo 2. 93

54 Ansoft Name Corporation X Y m XY Plot 1 Curve Info HFSSDesign1 db(s(lumpport1,lumpport1)) Setup1 : Sw eep1 db(s(lumpport1,lumpport1)) m Freq [GHz] Figura 4.93: Pérdidas por retorno de la antena IFA modelo 2. Ansoft Name Corporation Freq Ang Mag RX m i Smith Plot Curve Info HFSSDesign1 S(LumpPort1,LumpPort1) Setup1 : Sw eep m Figura 4.94: Carta de Smith de la antena IFA modelo 2. 94

55 Figura 4.95: Diagrama de la antena IFA modelo Modelo 3 (BALUN: L1=12nH, L2=5.3nH, C=10nF) Se añade el balun al circuito, ajustando el tamaño del sustrato, modificando su ubicación en la placa y ajustando el tamaño para conseguir que la antena cumpla todas las especificaciones, por lo que será candidata para la implementación. Figura 4.96: Antena IFA modelo 3. 95

56 Figura 4.97: Pérdidas por retorno de la antena IFA modelo 3. Figura 4.98: Carta de Smith de la antena IFA modelo 3. 96

57 Figura 4.99: Diagrama de la antena IFA modelo 3. Las dimensiones de la antena IFA modelo 3 seleccionada para la implementación se muestra en la figura Figura 4.100: Medidas antena IFA seleccionada para su implementación (modelo 3). 97

58 4.2. Antenas propuestas. Tras el estudio preliminar, se seleccionaron las cuatro antenas que mejores prestaciones tenían. Estas cuatro antenas fueron implementadas para analizar de forma experimental sus prestaciones. Antena dipolo folded perpendicular (modelo 2). DFP: En el estudio preliminar se propusieron dos modelos. Estos modelos consisten en dos dipolos folded [32] modificados para ocupar menos espacio y conseguir un circuito de menor tamaño. Se propuso para su implementación el modelo 2, la cual representa el modelo más real al incluir todos los componentes necesarios para el circuito y cumple todas las características deseadas de ancho de banda, pérdidas de retorno, ganancia y patrón de radiación. Es una antena balanceada por lo que no necesita balun. Su implementación, aunque simplificada al no necesitar balun, incluye una inductancia en paralelo y dadas las características del diseño del circuito impreso, se hace necesario que pase una pista entre los dos terminales de la bobina. Debido al pequeño tamaño de los componentes (encapsulado 0402), soldar esta bobina ha resultado ser un importante problema de implementación. Al hacerse de forma manual, cada vez que se soldaba la bobina fue necesario realizar múltiples correcciones y ajustes hasta obtener una disposición correcta del componente. Antena dipolo folded adaptada (modelo 2). DFA: En el estudio preliminar se propusieron dos modelos. Para su diseño se partió de la antena perpendicular y se ajustaron al plano de tierra para conseguir que el tamaño total del circuito fuera menor que con la antena perpendicular. Fue necesario variar la longitud del dipolo y modificar el valor de sus componentes para conseguir las características deseadas de ancho de banda, pérdidas de retorno y ganancia. También se trata de una antena balanceada por lo que no necesita balun. Presenta las mismas ventajas e inconvenientes para su implementación que la antena perpendicular. Los dos modelos son similares en cuanto a sus características, se optó por el modelo 2 ya que con ella el tamaño total del circuito es menor. Antena MIFA (modelo 12). MIFA: En el estudio preliminar se propusieron 12 modelos. Se trata de una adaptación de la antena AN043 de Texas Instruments para aplicaciones donde se requiere una antena de pequeño tamaño [33]. Es necesaria la implementación del balun, ya que la antena MIFA no está adaptada a 98

59 una carga balanceada. De los 12 modelos propuestos, 7 modelos eran sin balun y 5 con balun. De los modelos sin balun se ha propuesto el modelo 7 por su tamaño y sus características en cuanto a ancho de banda, pérdidas de retorno, ganancia y patrón de radiación para una futura línea de investigación en la que se contemple su implementación con el balun de ANAREN [35]. De los modelos con balun, se propuso el modelo 12 para su implementación por su tamaño. La implementación resulta compleja por el uso del balun, ya que además de aumentar el tamaño de la antena, implica que el circuito conste de más componentes, incluyendo una inductancia en paralelo, que dadas las características del diseño del circuito impreso, se hace necesario que pase una pista entre los dos terminales de la bobina. Antena IFA (modelo 3). IFA: En el estudio preliminar se propusieron 3 modelos. Se trata de una adaptación de la antena DN007 de Texas Instruments para aplicaciones donde se requiere de una antena de pequeño tamaño [36]. Es necesaria la implementación del balun, ya que la antena IFA no está adaptada a una carga balanceada. De los 3 modelos propuestos dos modelos eran sin balun y uno con balun. De los modelos sin balun se ha propuesto el modelo 3 por su tamaño y sus características en cuanto a ancho de banda, pérdidas de retorno, ganancia y patrón de radiación para una futura línea de investigación en la que se contemple su implementación con el balun de ANAREN [35]. El modelo con balun se ha propuesto para su implementación dadas sus características respecto a pérdidas de retorno, ancho de banda, ganancia y patrón de radiación. La implementación presenta los mismos problemas que en el caso de la antena MIFA. En el estudio preliminar llevado a cabo en el apartado se analizó también una adaptación de una antena F invertida adaptada propuesta por HFSS de Ansoft. Se realizaron tres modelos, todos sin balun y pese a que el modelo 3 cumplía las especificaciones y hubiera sido candidato candidato al cumplir las especificaciones al añadir el balun, se descartó por su gran tamaño. En el estudio preliminar la situación del plano de tierra y la orientación de todas las antenas con respecto al eje de coordenadas no coincidían. Este hecho no influye para comparar las pérdidas por retorno ni la ganancia máxima, sin embargo si se verá afectado el patrón de radiación. Con el fin de simplificar la comparación de los patrones de radiación de las diferentes 99

60 antenas propuestas,se modificó la orientación de las antenas MIFA e IFA en otro análisis mediante simulación. De esta manera el plano de tierra de las 4 antenas implementadas se encuentra en la misma posición con respecto al eje de coordenadas. Las características de los 4 modelos candidatos a la implementación se muestran en la Tabla 4.3. Tabla 4.3. Comparativa de los valores obtenidos mediante simulación de las cuatro antenas elegidas para su simulación. Antena dipolo Antena dipolo Antena MIFA Antena IFA (IFA) perpendicular (DFA) folded adaptada (MIFA) (DFA) Componentes utilizados L1=6.2nH L2=12nH L1=22nH L2=12nH L1=12nH C1=10nF L2=8.2nH L1=12nH C1=10nF L2=5.3nH S 11 (f=2.44 GHz) db db db Ganancia máxima (db) Ancho de banda (MHz) > 1000 Area cara XY cm cm cm cm2 sustrato Volumen sustrato cm cm cm cm3 Como ya desde el principio del trabajo se estableció como meta la mejora de la antena DFP propuesta por el Grupo de Ingeniería Biomédica, de acuerdo con las especificaciones iniciales se establecen los siguientes aspectos de mejora. Tamaño. El área de la cara XY de la antena es de cm 2. Uno de los problemas del tamaño es que aproximadamente el 50% del espacio reservado a la antena no está ocupado por la misma, desaprovechándose de esta manera espacio en el sustrato. Todas las antenas propuestas consiguen mejorar este aspecto consiguiendo menor tamaño de circuito, siendo la antena DFA la más adecuada en este caso. Patrón de radiación. El patrón de radiación debe ser lo más omnidireccional posible. El patrón de radiación de la antena DFP es adecuado ya que se acerca a 100

61 un patrón omnidireccional, sin embargo se busca una antena que sea omnidireccional en el plano normal a la antena. La antena IFA consigue esta especificación siendo omnidireccional en el plano normal a la antena. Pérdidas por retorno. Deben ser mínimas y siempre menores de -10dB (pérdidas menores del 10%). La antena DFP cumple este requisito. La antena IFA es la única que presenta mejores valores que la antena perpendicular en cuanto a pérdidas por retorno, sin embargo, a la vista de los resultados de todas las antenas, no se tomó como un valor discriminante ya que todas ellas presentan valores similares de s 11 a 2.44GHz. Ancho de banda. El ancho de banda de la antena debe salvaguardar el espectro comprendido entre y GHz para garantizar las especificaciones de pérdidas de retorno en todo el ancho de frecuencias. La antena perpendicular con un ancho de banda de 400MHz cumple esta especificación y cualquier antena que se proponga como mejora debe mantener esta especificación. Ganancia. La ganancia direccional debe de ser mayor de -1dB. Con respecto a la ganancia, todas las antenas propuestas tienen menor ganancia máxima que la antena DPF, aunque todas están por encima de la restricción de ganancia mínima -1dB. La antena IFA presenta valores de ganancia máxima muy cercanos a los de la antena dipolo perpendicular. A la vista de los resultados, la antena IFA constituye la mejor alternativa a la antena DFP por su ganancia direccional mayor que las antenas DFA y MIFA, su omnidireccionalidad, su ancho de banda elevado, su tamaño menor que la antena perpendicular y sus pérdidas por retorno menores que en el resto de antenas propuestas. Las cuatro antenas se implementaron para comparar de forma experimental las características de las mismas, ya que los resultados podían ser un poco distintos a los esperados debido a las complicaciones de la implementación Preparación de las antenas a implementar La implementación y pruebas de las antenas se realizó en base a un sistema de comunicaciones de bajo consumo dentro del ámbito del proyecto PIMETRANS (La PIel como 101

62 MEdio de TRANSmisión en dispositivos portables), Proyecto de Excelencia de la Junta de Andalucía (ref. P08-TIC-04069). Dicho sistema se aplica a su vez en un sistema de detección de caídas de personas mayores [37]. En el sistema de detección de caídas, el dispositivo sensor es un sensor inteligente de acelerometría, referido como SOM (del inglés Sensor of Movements o Sensor de Movimientos). Este dispositivo realiza una primera detección (detección de impactos). Una vez reconocido un impacto, un segundo dispositivo con más recursos computacionales, referido como DAD (del inglés Decision-Analysis Device o Dispositivo de Análisis y Decisión), realiza un procesado más profundo de la información sensorial, recibida desde el SOM a través de un enlace inalámbrico, para discriminar de una forma más precisa y fiable entre un verdadero evento de caída y otro tipo de impacto (discriminación de caída). El DAD es un dispositivo portátil con un transceptor para conectarse con el Centro Remoto de Teleasistencia (CRT) que gestiona y atiende a distancia los eventos de caída detectados para lanzar los mecanismos de emergencia necesarios. Este proceso se muestra en la Figura [37]. El SOM ha sido concebido para ser integrado en un parche de piel biocompatible e impermeable para que pueda ser llevado de forma cómoda por el paciente en la espalda a la altura del sacro, con el valor añadido de que evita la posibilidad de que la persona olvide ponérselo, incluso mientras está tomando una ducha o está en la cama, donde ocurren muchas caídas [37]. Figura 4.101: Arquitectura distribuida de procesamiento propuesta por el GIB [49] 102

63 En la implementación del SOM se ha utilizado la arquitectura propuesta para una Plataforma genérica de sensores inteligentes de bajo consumo, la cual se descompone en el caso del SOM en los siguientes elementos: Dispositivo Sensor: Un acelerómetro ntriaxial LIS3LV02DQ de STMicroelectronics ha sido utilizado con tal propósito en el diseño particular del SOM. Unidad de procesamiento: Para su implementación en el SOM se ha empleado un microcontrolador PIC18LF2431. Módulo de Comunicaciones: Para tal propósito se ha dedicado un transceptor CC2430 de Texas Instruments, sobre el que ha implementado un protocolo de comunicaciones de bajo consumo basado en el estándar IEEE [37]. El diseño y layout del circuito impreso del dispositivo sensor ha ido evolucionando para disminuir su tamaño. Esto ha hecho que sea necesario realizar una modificación de las antenas. Las modificaciones de las antenas propuestas para implementarlas en el sistema de detección de caídas son pequeñas, por lo que se ha considerado partir de las antenas seleccionadas en el apartado anterior y modificarlas para optimizar su operación con el nuevo modelo del circuito sensor. Por tanto, partiendo de un diseño electrónico base en circuito impreso del sensor de acelerometría, se han realizado cuatro diseños diferentes. Uno por cada antena, en el que cada una de ellas tiene un espacio reservado, como se representa en la zona en amarillo de la Figura 4.102, ya que cada una de las antenas se acoplan a un circuito sensor base. 103

64 Figura 4.102: Diseño electrónico base del sensor de acelerometría. Para adaptar las antenas al diseño en circuito impreso del sensor, se ha modificado ligeramente su posición para que no ocupe el espacio reservado al sensor. Es necesario, asimismo, realizar nuevamente las simulaciones con el nuevo plano de tierra del diseño en circuito impreso del sensor. La adaptación no plantea dificultades en la antena perpendicular ni en la IFA, cuya modificación es inmediata y no afecta a las características de la antena. En el caso de la antena MIFA, al ajustar la antena al circuito sensor (Figura 4.103), cambia el patrón de radiación al cambiar el tamaño del plano de tierra y aumenta la ganancia máxima ligeramente de db a db, tal y como se observa en las Figuras y

65 Figura 4.103: Antena MIFA adaptada al sensor. Patrón de ganancia inicial: Figura 4.104: Diagrama de radiación de la antena MIFA seleccionada antes de adaptarla al Patrón de ganancia con el circuito sensor: circuito sensor. 105

66 Figura 4.105: Diagrama de radiación de la antena MIFA seleccionada tras adaptarla al circuito sensor. En el caso de la antena DFA se hace necesario modificar la antena microstrip, ya que ésta ocupa parte del circuito reservada al sensor, separando la antena del plano de tierra y realizando nuevos ajustes de la longitud resonante del parche. Al separar la antena del plano de tierra, la frecuencia de resonancia aumenta y esto hace necesario aumentar la longitud resonante del parche para ajustar la frecuencia de resonancia (si la longitud resonante del parche disminuye, la frecuencia de resonancia aumenta [25]). Finalmente, teniendo en cuenta que en el nuevo diseño el sustrato y el plano de masa tienen dimensiones distintas a las consideradas hasta ahora, se realizaron nuevas simulaciones de la antena DFA adaptada al circuito sensor mostrada en la Figura 4.106, para que cumpliese las especificaciones con respecto a pérdidas de retorno, ancho de banda, ganancia y patrón de radiación. No fue necesario modificar los valores de los elementos pasivos. 106

67 Figura 4.106: Antena DFA tras su adaptación al circuito sensor. Esta modificación aumenta el tamaño del circuito. Se trata de una antena óptima ya que la frecuencia de resonancia se encuentra cercana al centro de la carta de Smith (Figura 4.108). Esto proporciona unas pérdidas por retorno bajas ( db, muy por debajo de los -10 db de las especificaciones), tal y como se observa en la Figura Figura 4.107: Pérdidas por retorno de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor. 107

68 Figura 4.108: Pérdidas por retorno de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor. Se produce una mejora de la ganancia máxima directiva pasando de db en la antena propuesta inicialmente a db en este nuevo modelo. El patrón de radiación, si bien no es omnidireccional, presenta un patrón de radiación similar al de la antena DFP, mejorando el patrón de la antena DFA inicial, más directiva. Figura 4.109: Diagrama de radiación de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor. 108

69 Figura 4.110: Patrón de radiación para Phi=0º y Phi=90º de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor. Figura 4.111: Diagrama de radiación para Theta=0º y Theta=90º de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor. Esta nueva modificación proporciona mejores características al cumplir con mayor margen las especificaciones, sin embargo el tamaño de la antena es mayor, lo cual es un inconveniente, ya que el tamaño reducido es uno de los principales requisitos. 109

70 Se comprobó en este caso que la bobina de adaptación de impedancia no era necesaria, por lo que sólo se implementó la bobina de desacoplo de 12nH, verificándose por simulación que el comportamiento era similar en cuanto a pérdidas por retorno, ancho de banda, ganancia y patrón de radiación. Esta simplificación no sólo facilitó la implementación de la antena sino que además permitió la eliminación de un componente en el circuito, disminuyendo así posibles fuentes de error. Por tanto, el único componente que se utilizó en la implementación del dispositivo es la bobina de desacoplo L=12nH. Figura 4.112: Pérdidas por retorno de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor eliminando la bobina en paralelo. Figura 4.113: Pérdidas por retorno de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor eliminando la bobina en paralelo. 110

71 Figura 4.114: Diagrama de radiación de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor eliminando la bobina en paralelo. Figura 4.115: Patrón de radiación para Phi=0º y Phi=90º de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor eliminando la bobina en paralelo. 111

72 Figura 4.116: Diagrama de radiación para Theta=0º y Theta=90º de la antena DFA tras su adaptación al circuito sensor eliminando la bobina en paralelo. A modo de resumen, se muestran a continuación las principales características de las cuatro antenas a implementar acopladas al sensor inteligente de acelerometría: Antena DFP adaptada al circuito sensor (DFP sensor): No modifica sus características. El diseño con el circuito sensor hace que el área del plano XY del circuito pase de cm 2 a cm 2, disminuyendo su tamaño. Se muestra en la Figura 4.117, junto con sus dimensiones y sus componentes. 112

73 Figura 4.117: Antena DFP sensor. Antena DFA adaptada al circuito sensor (DFA sensor): Es necesario modificar la antena para no ocupar el espacio reservado al sensor y aumentar la longitud resonante del parche para cumplir las especificaciones. Al realizar estas acciones la antena cumple las especificaciones con mayor margen que la antena dipolo folded adaptado original, a excepción del tamaño. Al incluir el diseño del circuito sensor el área del plano XY del circuito pasa de cm 2 a cm 2. Al adaptar la antena al circuito sensor, el tamaño del circuito disminuye, por lo que en el caso del dipolo folded adaptado, aun habiendo aumentado la longitud resonante del parche y aumentado el tamaño de la antena, el tamaño total del circuito es menor. Se muestra en la Figura 4.118, junto con sus dimensiones y sus componentes. 113

74 Figura 4.118: Antena DFA sensor. Antena MIFA adaptada al circuito sensor (MIFA sensor): No modifica sus características. Al incluir el diseño del circuito sensor el área del plano XY del circuito pasa de cm 2 a cm 2, disminuyendo su tamaño. Se muestra en la Figura 4.119, junto con sus dimensiones y sus componentes. 114

75 Figura 4.119: Antena MIFA sensor. Antena IFA adaptada al circuito sensor (IFA sensor): No modifica sus características. Al incluir el diseño del circuito sensor el área del plano XY del circuito pasa de cm 2 a cm 2, disminuyendo su tamaño. Se muestra en la Figura 4.120, junto con sus dimensiones y sus componentes. Figura 4.120: Antena IFA sensor. 115

76 4.3. Datos experimentales obtenidos con la antena sin estar afectada por la presencia del cuerpo humano. Tras la implementación de las antena propuesta se realizaron medidas en el escenario de pruebas con la antena sin estar afectada por el cuerpo humano expuesto en el apartado Para proporcionar un mayor valor estadístico a las medidas, se realizaron 10 medidas en diferentes instantes de tiempo para cada una de las posiciones. Todas ellas se encuentran en el Anexo V. En la Tabla 4.4 se muestra una comparativa del valor medio de las medidas. Tabla 4.4. Potencia media recibida en cada una de las posiciones y orientaciones (dbm) en el protocolo de experimentación sin presencia del cuerpo humano para todas las antenas implementadas: DFP sensor, DFA sensor, MIFA sensor e IFA sensor. A partir de los resultados obtenidos se ha realizado un análisis comparativo de las antenas: Antena DFP sensor: La antena DFP sensor presenta los mejores valores de potencia recibida en el analizador de espectro en todas las posiciones, excepto en la Vertical 270º, en la que presenta unos 5 db de diferencia con las demás antenas, llegando a -60,53 db, muy cerca del umbral del ruido (a -64dB). Este hecho muestra claramente su falta de omnidireccionalidad, además presenta una diferencia de 15 db entre el mejor valor y el peor. Antena DFA sensor: La antena DFA sensor presenta buenos valores de potencia 116

77 recibida en el analizador de espectro en todas las posiciones presentando mejores valores que la antena perpendicular en las posiciones horizontal 90º y vertical 270º. Antena MIFA sensor: La antena MIFA sensor no presenta valores mejores de potencia recibida en el analizador de espectro que las otras antenas en ninguna posición, tal y como se podía prever de acuerdo con los datos de las simulaciones con una ganancia muy baja de 0.25 db. No se considera una antena adecuada para sustituir a la antena perpendicular, a pesar de su tamaño. Antena IFA sensor: La antena IFA sensor presenta mejores valores que la antena dipolo folded adaptado, excepto en las posiciones horizontal y vertical, siendo, además, más omnidireccional que la antena DFP sensor. El criterio final para la elección de la antena es una combinación de la potencia media recibida y la desviación típica, ya que la potencia recibida debe ser lo mayor posible y la desviación típica debe ser mínima, para proporcionar una mayor omnidireccionalidad. Los resultados de desviación típica y potencia media recibida se muestran en la Tabla 4.5: Tabla 4.5. Potencia media recibida y desviación típica (dbm) en todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación sin presencia del cuerpo humano para las antenas implementadas: DFP sensor, DFA sensor, MIFA sensor e IFA sensor. 117

78 A la vista de los resultados se puede concluir que si bien la antena perpendicular muestra el valor más alto de potencia media recibida (-49,21 db), muestra también una gran desviación típica. La omnidireccionalidad es un factor muy importante, ya que el SOM y el DAD [37] deben comunicarse correctamente independientemente de la posición relativa entre ambos. Por este motivo se antepone la omnidireccionalidad a la potencia recibida, siempre y cuando la potencia recibida se encuentre dentro de unos márgenes aceptables. La antena MIFA sensor presenta la desviación típica más baja, sin embargo, la potencia recibida también es la más baja, con una diferencia de 4 db con respecto a la segunda antena con la potencia recibida más baja (antena DFA sensor). Por este motivo no se considera una buena opción para sustituir la antena DFP sensor. Viendo los resultados, las antenas DFA sensor e IFA sensor son buenas alternativas a la antena perpendicular, ya que ambas poseen buenos valores de potencia y de desviación típica. La antena DFA sensor es la más sencilla de implementar de las cuatro propuestas, ya que necesita menos componentes, no dispone de inductancia en paralelo, es la de menor tamaño y no necesita balun por tener la salida balanceada. A falta de realizar las pruebas con la antena situada en el cuerpo humano, se ha propuesto la antena DFA sensor como la mejor opción. Los motivos se resumen en los siguientes puntos: Tamaño mínimo. No necesita balun ya que su salida es balanceada. Únicamente consta de una componente en serie. Este punto facilita de forma significativa la implementación. Los resultados experimentales muestran los mejores valores de desviación típica y potencia recibida en el analizador de espectro junto con la antena IFA. 118

79 4.4. Datos experimentales obtenidos con la antena afectada por la presencia del cuerpo humano. Para estudiar la influencia del cuerpo humano en las antenas se realizaron una serie de medidas de potencia de acuerdo con el esquema planteado en el punto Para proporcionar un mayor valor estadístico a las medidas, se realizaron 10 medidas en diferentes instantes de tiempo para cada una de las posiciones. Todas ellas se encuentran en el Anexo VI. Con el objeto de valorar las prestaciones de las diferentes antenas se ha realizado un análisis de las características de radiación de todas ellas en las diferentes orientaciones posibles. El estudio comparativo de los resultados servirá para seleccionar la antena óptima. ANTENA DFP SENSOR Sin estar afectada por el cuerpo humano la antena DFP sensor mostró los valores de potencia recibida en posición vertical indicados en la Tabla 4.6. Tabla 4.6. Potencia media recibida sobre todas las orientaciones en la posición vertical sobre el protocolo de experimentación sin presencia del cuerpo humano para la antena DFP sensor. Estos valores sirven de referencia para la posición 0º en presencia del cuerpo humano. Las posiciones ideales para comprobar como influye la presencia del cuerpo humano a la antena son las orientaciones 180º y 270º, que en el caso de la antena afectada por la presencia del cuerpo humano corresponden con la posición 0º y las orientaciones 0º y 90º respectivamente, ya que en estos casos el cuerpo humano se sitúa entre la antena y el analizador de espectro. En la Tabla 4.7 se muestran los resultados obtenidos de la potencia media recibida con la antena afectada por la 119

80 presencia del cuerpo humano. Tabla 4.7. Potencia media recibida (dbm) en todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación con presencia del cuerpo humano para la antena DFP sensor. A la vista de estos resultados y comparando los valores indicados, el cuerpo humano influyó significativamente en las características de la antena, ya que si bien en la comparativa de la posición Vertical 270º (sin estar afectada por el cuerpo humano) y la combinación Posición 0º Orientación 90º (afectada por el cuerpo humano) el valor de potencia recibida pasó de dBm a dBm, en el caso de la posición Vertical 180º (sin estar afectada por el cuerpo humano) y la combinación Posición 0º Orientación 0º (afectada por el cuerpo humano) el valor de potencia recibida pasó de dBm a dBm. En los casos no mencionados, el cuerpo humano no se interpone entre la antena y el analizador de espectro y no se observan cambios significativos en la potencia media recibida en posición 0º. Se comprueba con esto, de forma experimental, que la presencia del cuerpo humano afecta significativamente a las características de la antena. La posición de la antena se determina a la hora de situar el sensor, mientras que la orientación depende del movimiento del usuario, por lo que se establece un criterio para evaluar la posición con mejores resultados. El criterio de elección de la antena se basa en una combinación de la media de la potencia media de sus orientaciones, que debe ser lo mayor posible, y la desviación tipica, que debe ser lo más pequeña posible, ya que se busca una antena omnidireccional. Por otro lado, se desechó cualquier posición con algún valor medio menor que -62 dbm en cualquiera de sus orientación, por encontrarse demasiado cerca del umbral de ruido (- 65 dbm). Con estos criterios y con los valores obtenidos en la experimentación de la antena DFP sensor afectada por el cuerpo humano, mostrados en la Tabla 4.7, se determinó que la posición 0º no era una posición válida. Los valores medios de las orientaciones se muestran en la Tabla

81 con las posiciones con mejores resultados en base a los criterios establecidos marcadas en amarillo. Tabla 4.8. Potencia media recibida y desviación típica (dbm) en todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación con presencia del cuerpo humano para la antena DFP sensor, con las opciones elegidas para la comparativa final seleccionadas. A la vista de los resultados se determinó que la posición 90º y 270º son similares y las más adecuadas. Se estudiarán ambas en la comparativa de todas las antenas seleccionadas que se realiza al final de este apartado. ANTENA DFA SENSOR Los valores presentados en posición vertical por la antena DFA sensor sin estar afectada por la presencia del cuerpo humano se muestran en la Tabla 4.9. Estos valores sirven de referencia para la posición 0º en contacto con el cuerpo humano. Tabla 4.9. Potencia media recibida sobre todas las orientaciones en la posición vertical sobre el protocolo de experimentación sin presencia del cuerpo humano para la antena DFA sensor. humano. En la Tabla 4.10 se muestran los valores obtenidos con la antena afectada por el cuerpo 121

82 Tabla Potencia media recibida (dbm) en todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación con presencia del cuerpo humano para la antena DFA sensor. Se observa que la presencia del cuerpo humano influye significativamente en el comportamiento de la antena cuando el cuerpo humano se interpone con unas pérdidas de entre 6 y 7 db. Sin embargo, los valores de potencia recibida obtenidos mejoran ligeramente en comparación con los casos en los que el cuerpo humano no se interpone. Puede observarse que en todas las orientaciones existe al menos un valor medio de potencia recibida menor que -62 dbm. Se impuso como criterio que ninguna orientación podía tener ningún valor por debajo de -62dBm, por lo que no se considera ninguna de las posiciones de esta antena para la comparativa final. ANTENA MIFA SENSOR Se muestran los valores medios de potencia recibida sin estar en contacto la antena con el cuerpo humano para el caso de la antena MIFA sensor en posición vertical en la Tabla 4.11 para servir de referencia en la posición 0º en el caso de la antena afectada por el cuerpo humano. Tabla Potencia media recibida sobre todas las orientaciones en la posición vertical sobre el protocolo de experimentación sin presencia del cuerpo humano para la antena MIFA sensor. 122

83 En la Tabla 4.12 se muestran los valores medios de potencia recibida en el caso de la antena afectada por el cuerpo humano para las cuatro posiciones estudiadas. Tabla Potencia media recibida (dbm) sobre todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación con presencia del cuerpo humano para la antena MIFA sensor. En este caso se observa que la presencia del cuerpo humano influye en el comportamiento de la antena proporcionando valores mucho más bajos que sin la presencia del mismo, con unas pérdidas del orden de 10 db. La influencia del cuerpo humano en el caso de la antena MIFA sensor proporciona valores de ruido en al menos una orientación en todas las posiciones, por lo que no se considera esta antena para la comparativa final. ANTENA IFA SENSOR Los valores presentados en posición vertical por la antena IFA sensor sin estar afectada por la presencia del cuerpo humano, y que sirvieron de referencia para la posición 0º, se muestran en la Tabla Tabla Potencia media recibida sobre todas las orientaciones en la posición vertical sobre el protocolo de experimentación sin presencia del cuerpo humano para la antena IFA sensor. 123

84 En la Tabla 4.14 se muestran los valores medios de potencia recibida en el caso de la antena afectada por el cuerpo humano para las cuatro posiciones estudiadas. Tabla Potencia media recibida (dbm) sobre todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación con presencia del cuerpo humano para la antena IFA sensor. La presencia del cuerpo humano influye en la antena IFA sensor, con unas pérdidas de entre 5 y 7 db, manteniendo los valores de potencia recibida dentro del rango válido. En el caso de la antena IFA sensor el valor medio máximo alcanzado en su orientación con peores características, es de -61,83 dbm, mayor que -62 dbm, por lo que todas las posiciones se consideran posiciones válidas. El criterio de elección de la antena se basa en una combinación de la media de la potencia media de sus orientaciones, que debe ser lo mayor posible, y la desviación típica, que debe ser lo más pequeña posible, ya que se busca una antena omnidireccional. En la Tabla 4.15 se han marcado en amarillo las antenas que cumplen los criterios de elección con mayor margen. Las tres posiciones seleccionadas tienen valores similares. 124

85 Tabla Potencia media recibida y desviación típica (dbm) sobre todas las configuraciones descritas sobre el protocolo de experimentación con presencia del cuerpo humano para la antena IFA sensor, con las opciones elegidas para la comparativa final seleccionadas. Estas tres posiciones se estudiarán a continuación en la comparativa de todas las antenas. COMPARATIVA A la vista del resultado se comprueba que el comportamiento de la antena se ve afectado por el cuerpo humano de manera especial en las orientaciones 0º y 90º ya que el cuerpo se interpone entre la antena y el analizador de espectro. Las antenas MIFA sensor y DFA sensor son las que más se ven afectadas por la presencia del cuerpo humano, mostrando en todas las posiciones valores por debajo de los -62 dbm, por lo que no se tomaron como propuestas válidas para su implementación en una BSN. En la Tabla 4.16 se muestra una comparativa de las posiciones seleccionadas de las antenas DFP sensor e IFA sensor. Tabla Potencia media recibida y desviación típica (dbm) para las posiciones 90º y 270º de la antena DFP sensor y las posiciones 0º, 90º y 270º de la antena IFA sensor en presencia del cuerpo humano. Los mejores valores de potencia recibida en el analizador de espectro y de desviación típica los presenta la antena DFP sensor, por lo que será la mejor opción en los casos donde el tamaño mínimo no es una especificación importante. La posición elegida en este caso será de 90º ya que la desviación típica es menor (y por tanto es más omnidireccional) y la potencia recibida es 125