Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Prototipos de antenas de parche para sistemas de comunicación inalámbrica


Archivo: Electrónica
Dra. Margarita Tecpoyotl Torres / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp-UAEM)
Ing. José Gerardo Vera Dimas / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Estudiante de Posgrado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, UAEM.

En la actualidad, el ser humano requiere de información y comunicación de manera rápida y confiable, mediante sistemas de comunicación en los que además se evite el uso excesivo de cables e incluso se prescinda de ellos, dando paso a los sistemas de comunicación inalámbrica. Las antenas son sin duda alguna elementos muy importantes en tales sistemas. La evolución en el área de antenas, a la par de la miniaturización lograda gracias a los avances en el campo de la Electrónica, ha permitido obtener dispositivos sumamente reducidos, como sucede en la telefonía celular o bien en los sistemas de posicionamiento global (GPS), en los que las antenas de parche son determinantes.
          Los intentos por lograr altas ganancias o anchos de banda en el diseño de las antenas de parche han ido desde desarrollar diversas geometrías de antenas individuales hasta desarrollar arreglos sumamente complejos en base a diferentes aproximaciones, tales como el implementar arreglos en base a una geometría individual, o bien implementando ranuras, apilamientos e incluso patrones de naturaleza fractal.
El mercado de las antenas de reemplazo, que ofrece antenas con mayores ganancias y que por tanto mejoran los niveles de transmisión/recepción, es ampliamente dominado por empresas chinas, japonesas y estadounidenses para segmentos tales como televisión, Wi-Fi e incluso automotriz. La información en cuanto a sus criterios de diseño esta, naturalmente, restringida.
Dado el alto impacto tecnológico y de investigación en esta área, muchos grupos de investigación en el país y en el mundo entero la consideran prioritaria. En la UAEM, además de interesarnos en la generación de conocimiento en el área de antenas, pretendemos generar prototipos de bajo costo, como una alternativa a las opciones comerciales, logrando con ello desarrollar las habilidades que requieren los estudiantes no sólo en diseño e implementación, sino además en el análisis de las características que hagan viable la comercialización de los prototipos desarrollados.
Las primeras antenas que diseñamos e implementamos para Wi-Fi (2.4 GHz) fueron probadas no solamente con equipo de laboratorio (figura 1), para verificar la frecuencia de operación, sino como reemplazos en un ruteador (figura 2), para verificar la integridad de la señal, tanto al interior del edificio de CIICAp (con antenas individuales), como al exterior (con arreglos de antenas). En ambos casos se utilizó FR-4 como substrato.
            En las pruebas al exterior (figura 4), la señal del ruteador con nuestros arreglos se denomina “alecita”, mientras que la señal con las antenas originales se llama “ciicap”. Como puede observarse, nuestros arreglos muestran un desempeño satisfactorio.
Debemos mencionar, que cada una de las geometrías que hemos implementado tiene características que las diferencian. En el caso de los arreglos, hemos realizado el diseño de algunas geometrías novedosas, una de las cuales se inició en base a una secuencia de Fibonacci lográndose obtener una antena multibanda. Una nueva propuesta en desarrollo es sobre una antena dual de geometría pentagonal, misma que a nivel simulación ha mostrado su factibilidad para dos frecuencias de operación de amplio uso. Además, para la antena pentagonal individual, en vez de la teoría tradicional de diseño, se ha propuesto una aproximación matemática simple, tomando como punto de partida la ecuación para una antena de parche circular, considerando que para obtener un comportamiento equivalente la energía electrostática que existe debajo de los parches pentagonal y circular debe de ser la misma.
              La selección del substrato es una parte esencial del proceso de diseño, en nuestro caso, al inicio estuvo limitada a usar solamente FR-4 de doble cara, debido a su bajo costo y a su disponibilidad en el mercado, sin embargo ahora tenemos un amplio panorama al contar con substratos rígidos, flexibles y semi-flexibles, considerados como materiales avanzados.
Cabe mencionar, que de acuerdo a la aplicación, esto es, al sistema de comunicación inalámbrico en el que se usarán los prototipos, ellos deben satisfacer una serie de requisitos establecidos en las normas correspondientes, tales como ancho de banda, BW, alcance, razón de Absorción Específica, SAR, entro otros establecidos por organismos como IEEE y el Instituto de Normas de Telecomunicaciones Europeo, que regulan la fabricación de antenas para garantizar la interoperabilidad.
Los resultados obtenidos hasta ahora son sumamente satisfactorios, gracias al apoyo de CONACyT, Rogers Co. y Electromagnetic Software & Systems.

 

 

 


Figura 4. Potencia recibida (a) en dos sitios dentro y (b) fuera de CIICAp. La señal más débil llamada ciicap corresponde a la antena comercial interna, mientras que la más fuerte, del mismo nombre, a una antena comercial externa.


Margarita Tecpoyotl Torres obtuvo los grados de Licenciado en Matemáticas y en ciencias de la Electrónica en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Cuenta con la maestría y el doctorado en Ciencias en Electrónica, por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Es investigadora nivel I del Sistema Nacional de Investigadores. Actualmente trabaja en el CIICAp-UAEM. Sus campos de interés son el diseño de dispositivos MEM y de alta frecuencia, así como la educación matemática.


José Gerardo Vera Dimas obtuvo el grado de Ingeniero Electrónico en el Instituto Tecnológico de Morelia. En el 2009 recibió la condecoración EGRETEC por parte de la Asociación de Egresados del Instituto Tecnológico de Morelia. Actualmente estudia la maestría en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, en el área de Tecnología Eléctrica. Su tesis se enfoca en el diseño de antenas de parche para aplicaciones en el área automotriz.