Diseño y Pruebas de una Antena Miniaturizada paraAplicaciones de Radio Taxis

José Joaquín Casas Melo

Carlos Iván Páez RuedaDepartamento de Electrónica

Pontificia Universidad Javerianapaez.carlos@javeriana.edu.co

Resumen

En el siguiente artículo se presenta el diseño, optimización y evaluación experimental de un dipolo dobla-do miniaturizado con geometría meandro, diseñado para ser utilizado en aplicaciones de sistemas de bandaciudadana en VHF. El dipolo es diseñado para que a su primera frecuencia de resonancia, se obtenga unareducción 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 an-cho de banda. Las curvas experimentales verifican la factibilidad de construcción de esta topología para serutilizada 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 dimensionesfísicas de los componentes que los componen. Las dimensiones de una antena, como elemento básico de todosistema 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 deseaoperarla eficientemente. Muchas aplicaciones en la banda VHF requieren de antenas miniaturizadas eficientespara 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 esasaplicaciones, se encuentra las comunicaciones inalámbricas de la banda ciudadana de los radio taxis, los cualesoperan usualmente en VHF en la banda de 136MHz−174MHz, y por tal, tienen instalados antenas monopoloresonantes cuyas dimensiones típicamente están en el intervalo entre 0,5m−1,2m. La instalación de las antenasen 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 unproblema para la seguridad de los peatones y para la movilidad del vehículo, ya que el automóvil no puedeentrar o salir de forma segura y fácil de edificios, parqueaderos, etc. Utilizar una antena miniaturizada arbitrariatraería como consecuencia su utilización ineficiencia, lo cual se traduce en una mala recepción por parte delradio 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 cotasinferiores [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 radiode recubrimiento a1 está sujeta al límite fundamental 2π f a = c∗k, donde f es la frecuencia de operación y c esla velocidad de la onda electromagnética en el medio dieléctrico2. La constante k depende del comportamiento

1Distancia entre el centro de masas de la antena y el punto más alejado de su forma2para el vacío es aproximadamente 3x108m/s

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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 electromagnéticoy validación experimental de una antena dipolo doblada en configuración meandro, originalmente propuestapor [9]. Esta antena presenta la ventaja de mantener una geometría simple, que facilita la fabricación e instala-ción 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 propues-ta, las curvas de diseño obtenidas por medio del simulador electromagnético NEC-2 y el procedimiento deexperimenta

ción realizado. En la sección 3. se presentan los elementos de fabricación considerados, las pruebas y validaciónexperimental realizadas y la justificación de sus diferencias con las curvas de diseño. Finalmente, en la últimasección 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 variablesutilizadas 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 laantena diseñadas a 50MHz, para que posteriormente el usuario genere un escalamiento lineal de la antena a lafrecuencia requerida. Para el caso de la separación entre los meandros, se consideraron los rangos L

20 ≤ c ≤ L15

sin una mayor diferencia entre los resultados obtenidos.

2.2. Diseño

Como método computacional para evaluar la topología propuesta de la antena, se utilizó el método de los mo-mentos para alambre delgados implementado por medio de la distribución de dominio público NEC-2. Estecódigo electromagnético computacional ha sido utilizado en los últimos 30 años con éxito para modelar antenasde alambre y requirió para su utilización sistemática, de rutinas elaboradas Borland C y MATLAB para inter-cambio de parámetros y presentación de usuario final. La generación de las curvas de diseño fueron costosas entérminos computacionales, ya que requirió de 4 días de simulación electromagnética y de 10 GB de memoriaen disco duro para almacenar los resultados.

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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 elrango de [0,5m,3,25m] y w en el rango [0,05m,0,19m]. En la Figura 3 se detalla las iso curvas analizando laimpedancia de entrada de la antena a la frecuencia de 50MHz. En degrade se encuentra la parte imaginaria, endonde se puede observar las diferentes frecuencias de resonancia de la antena. En punteado se detallan los isocontornos relacionados con la parte real de la impedancia de entrada. La gráfica muestra que la antena propuestatiene tres frecuencias de resonancia principales, de las cuales solo en la primera se logra una miniaturización dela antena en el rango de 30% y el 50%, comparado con un dipolo recto resonante λ/2. A su vez, se detalla quela 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 primeraresonancia serie. Esta gráfica muestra que la antena tiene un comportamiento de radiación isotrópico con valoresde ganancia en los rangos de [0dBi,2dBi].

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Figura 4. Ganancia de la antena en dBi

Un análisis más detallado del comportamiento de la antena propuesta, permite identificar que la dirección demáxima radiación deja de ser isotrópica cuando se encuentra la primera resonancia paralelo de la antena, la cualse 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 lo-grara una miniaturización de la antena al 50% comparado con un dipolo resonante λ/2. Este punto correspondeal valor de L = 0,77 metros y w = 0,059 metros a la frecuencia de diseño de 50MHz. La frecuencia de operaciónexperimental escogida corresponde a la banda de radio taxis en Bogotá, República de Colombia, la cual estálocalizada 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 longi-tudes y la posición de los segmentos utilizados para la simulación son detallados. Esta simulación particular fuerealizada en EZ-NEC [10], software que simula los parámetros de radiación de antenas de alambre a partir delmodelado 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)

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del punto de operación se detallan en la Figura 6. Los valores finales del diseño predicen una impedancia deentrada 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 ordenpráctico. El primero, es considerar la particularidad del punto de alimentación de la antena. Como dos alambressuficientemente cercanos producen un fenómeno capacitivo entre las áreas transversales de los cilindros, lo cualafecta considerablemente la parte imaginaría de la impedancia de entrada, se fabricaron las terminaciones delpunto de alimentación en forma cónica, como se ilustra en la Figura 7. Allí también se observa cual fue la formaescogida 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, interco-nexión física y que su forma no alterará la inducción de las densidades de corriente en la superficie de los

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alambres de aluminio en la dirección de la máxima ganancia. La base de sujeción fue realizada en fibra devidrio reciclado.

El prototipo final de dipolo diseñado se presenta en la Figura 8, en donde sus dimensiones físicas están relacio-nadas 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 deldipolo miniaturizado. Este se puede observar en la Figura 9, en donde se detalla todo la base diseñada para lafase 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 alimentarsimétricamente el dipolo. Este Balun fue implementado a través de un transformador 1:1 de montaje superficialen configuración de corriente y su PCB final se puede detallar en la Figura10.

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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 datossimulados. El análisis de los datos se encuentra que la máxima variación porcentual entre lo diseñado y lomedido 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 prototipoconstruido versus sus datos simulados. En esa figura, y aunque no se detalle dado que se presentan las curvasnormalizadas con respecto a la frecuencia de resonancia de cada antena, se encontró un corrimiento en dicha fre-cuencia de resonancia de valor de −10MHz. En esta gráfica también se detalla la máxima variación porcentualcon respecto a lo predicho, la cual fue del 23% y explícitamente sucede a bajas frecuencias.

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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 lafrecuencia de resonancia. Aquí se encontró que el patrón de radiación en el plano H fue afectado por el mástilde 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 lafrecuencia 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 configuraciónmeandro, miniaturizada en longitud al 50% con respecto a un dipolo resonante λ

2 . La aplicación esperada paraesta antena, es facilitar la instalación de los sistemas de comunicaciones de radio frecuencia en los automóvilesque utilizan los radio taxis. Las curvas de diseño tiene una aceptable aproximación a los datos experimentalesobtenidos, sin embargo la forma especifica de los dobleces requiere un análisis particular, el cual se propone através de una ajunte fino del diseño de la antena física.

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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 inter-acción electromagnética con el carro. Esta situación es de gran relevancia para antenas miniaturizadas, ya queusualmente 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 Electró-nica de dicha universidad, por facilitar los recursos necesarios de Software, Hardware y personal para realizar acabo la presente investigación.

Referencias

[1] C. A. Balanis, Antenna Theory. Analysis and Design. John Wiley and Sons, Inc., 2005.

[2] L. J. Chu, “Physical limitations of omnidirectional antennas,” Research Laboratory of Electronics Massachusetts Ins-titute of Technology, Tech. Rep., 1948.

[3] J. S. McLean, “A re-examination of the fundamental limits on the radiation q of electrically small antennas,” Antennasand Propagation, IEEE Transactions on, vol. 44, no. 5, p. 672, may 1996.

[4] R. Collin and S. Rothschild, “Evaluation of antenna q,” Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 12,no. 1, pp. 23 – 27, jan 1964.

[5] H. Wheeler, “Fundamental limitations of small antennas,” Proceedings of the IRE, vol. 35, no. 12, pp. 1479 – 1484,dec. 1947.

[6] J. Rashed-Mohassel, A. Mehdipour, and H. Aliakbarian, “New schemes of size reduction in space filling resonantdipole antennas,” march 2009, pp. 2430 –2432.

[7] S. R. Best, “A study of the performance properties of small antennas,” The MITRE Corporation, Tech. Rep., 2007.

[8] J. Adams and J. Bernhard, “Tuning method for a new electrically small antenna with low q,” Antennas and WirelessPropagation Letters, IEEE, vol. 8, pp. 303 –306, 2009.

[9] J. Rashed and C.-T. Tai, “A new class of resonant antennas,” Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 39,no. 9, pp. 1428 –1430, sep 1991.

[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, 1998.

Hoja de Vida

José Joaquín Casas Melo. Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, 2008. En el 2008 se vinculócomo ingeniero de proyectos en el área de Radio Frecuencia en Huawei Technologies Colombia, participando en el proyecto de implemen-tación de la tecnología 3.5G para el cliente TIGO. Posteriormente trabajó el área de transmisión con las redes de SDH y DWDM del clienteE.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, 1997. Especialista en Investi-gación y Docencia, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, 2003. Magíster en Eléctrica con énfasis en Comunicaciones, Universidad de losAndes, 2002. En 1997 se vinculó como ingeniero de proyectos en el área inalámbrica en Colsago Com. En 1999 se vinculó como directorde ingeniería y líder de proyectos relacionados con el diseño y optimización de redes inalámbricas en Tes América Andina. En el 2000inició sus estudios de profundización científica en el área de las comunicaciones. En el 2002 trabajó como consultor e investigador en dife-rentes empresas y universidades de Colombia. En el 2004, se vinculó como gerente del área de inalámbricos de la Dirección de Expansiónen EPMBOGOTA S.A. E.S.P. En el 2006, se vinculó a la Pontificia Universidad Javeriana como profesor de planta del Departamento deElectrónica, sección Comunicaciones. Actualmente se desempeña como profesor de planta en el Departamento de Electrónica y director delgrupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) en dicha universidad, donde trabaja en las áreas de Teletráfico, ComunicacionesInalámbricas y Hardware en Radio Frecuencia.

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