TENDENCIAS DE ANTENAS PARA COMUNICACIONES INALÁMBRICAS

Desde los teléfonos móviles, al acceso inalámbrico a aparatos conectados a una red de computadoras y periféricos a través de Internet, existe un interés creciente en las comunicaciones inalámbricas confiables, para proporcionar funcionalidades por medio de productos y servicios. La industria de comunicaciones inalámbricas continúa generando nuevos productos y aplicaciones para los consumidores, brindándoles nuevas oportunidades de negocios. La enorme cantidad de las oportunidades, presentada por las aplicaciones inalámbricas va con un plan de cambios en la fabricación y diseño.

El mundo de las comunicaciones inalámbricas, puede parecer ser difícil al ofrecer servicios, productos y estándares, todos compiten para el dominio del mercado, se ha dejado un lado la modulación, protocolo, ancho de banda o frecuencia. Todo dispositivo inalámbrico requiere una antena para la transmisión y/o recepción. La antena, es tomada como referencia para rendimiento, y funcionamiento exitoso de cualquier sistema inalámbrico. Las tres mayores áreas de mayor investigación de las antenas y su desarrollo han surgido para satisfacer las necesidades de sistemas de comunicaciones modernos: reducción del tamaño, wideband (banda extendida) o funcionamiento multibanda, y el control de adopción del modelo.

Como los dispositivos de comunicaciones se vuelven cada mas pequeños, debido a la integración electrónica, la antena se vuelve significativamente, la más parte grade del dispositivo. Estos resultados demandan, de una igual reducción del tamaño de la antena, sin embargo reducir el tamaño de la antena trae consigo un cambio en la eficiencia y la ganancia del sistema. Como incrementa la integración, una sola antena es requerida para soportar dos o más, de los muchos servicios inalámbricos, por un ancho de banda o rango de frecuencia.

La tercera tendencia es el incremento del uso de arreglos de antena, y el desarrollo técnicas para el uso de estas que permiten obtener un mayor rendimiento. Estos nuevos y compactos diseños de antenas; multibanda, ancho de banda extendido y arreglos de antenas servirá en variadas aplicaciones, pero aun se requiere diseños con más eficiencia puesto que la tecnología celular y los servicios de voz PCS, tiene aplicaciones de voz datos videos en una red inalámbrica local.

Un servicio inalámbrico local usa la banda de frecuencia ISM 2.4 Ghz o 5.7Ghz banda NII. El servicio inalámbrico incluye tanto entretenimiento como comunicaciones de voz. Por ejemplo: alta fidelidad de sonido digital por medio de difusión por satélite disponible para usuarios tanto fijos como móviles, continentales, servicio satelital llamado Digital Audio Ra¬dio Service (SDARS) En corto alcance la transmisión de datos inalámbricos usan baratos dispositivos que trabajan con estándares bluetooth.

La redes de área local inalámbricas WLAN existen ya desde hace varios años, pero ahora grandes redes de datos inalámbricos no se ha desarrollado todavía, un ejemplo es la red construida en Utha, una red de paquetamiento de datos, que usa tarjetas de computadora, modems y antenas compactas. Los estándares de la tercera generación, de tecnología celular proveen de suficiente ancho de banda para soportar videos, datos y un buen servicio de voz. Estas y otras aplicaciones inalámbricas que han emergido requerirán alto rendimiento y bajo perfil de operación de antenas, en conjunto, así como movilidad, portabilidad.

REQUERIMIENTOS DE ANTENAS Y DISEÑOS DE HERRAMIENTAS

Varios parámetros son importantes en el rendimiento de una antena pero la ganancia, modelo polarización, ancho de banda tamaño y costo son los más importantes. Los diseños y el desarrollo del proceso empieza con una completa lista de requerimientos específicos, de parámetros y valores de una aplicación, seguida de investigación ingenieril al seleccionar un diseño.

La respuesta de una antena, al incidir sobre esta una onda plana es función del ángulo de recepción se lo hace corresponder a un modelo. El modelo de una antena de transmisión es el mismo que el modelo de recepción. Una antena beamwith es posee un ángulo grande del lóbulo de radiación principal, del modelo en un plano (típicamente a 3 DB debajo del el máximo) y es inversamente proporcional a la ganancia. La potencia de la antena es el producto de la radiación efectiva y la directividad, que incrementa la potencia pico en el modelo, al compararla con un modelo que radia uniformemente su potencia. En enlaces punto a punto los terminales tienen antenas direccionales con alta ganancia. En enlaces punto multipunto, como para comunicaciones móviles usualmente usan baja ganancia de antenas. Por ejemplo, las antenas en comunicaciones celulares pueden proveer un una azimut de 120º de cobertura, en un sector. (los 3 DB de ancho de banda, puede ser algo estrecho, 120º en la practica causa un roll-off gradual). Considerando que una antena punto multipunto tendrá baja ganancia con respecto a una punto a punto usará un enlace de microondas.

Otras características de las antenas es la polarización que se refiere a la dirección del vector campo eléctrico, la radiación eléctrica en un punto en el espacio, es función del tiempo. Los tipos de polarización más comunes son las lineales (vertical horizontal) y circular( mano derecha y mano izquierda).Para todas las antenas, hay un estado de polarización que es ortogonal a otra, esta propiedad puede ser explotada y la antena no responde a la energía en una de las polarizaciones , se la explotada para el rehusó de frecuencias en dos polarizaciones ortogonales. En la práctica no es posible lograr perfecta ortonogabilidad, pero la interferencia adaptiva actúa como canceladora puede reducir una interferencia, entre las dos polarizaciones y evitar el cruce de canales. Este tipo polarización, que permite el rehuso de frecuencias solo se logra cuando se tiene línea de vista. La polarización circular (CP), generalmente es más complicada que una polarización lineal, pero provoca la necesidad de linea de vista. Si se usa antenas para transmitir y recibir señal, las señales más fuertes solamente llegarán al receptor, sin embargo las múltiples reflexiones harán que lleguen más señal por múltiples caminos llegándose en algunos casos a cancelarse entre estas.

Un tercer parámetro importante es el ancho de banda, el rango de frecuencias sobre la cual una antena encuentra rendimiento máximo. Típicamente en ancho de banda de la antena es limitado y se tienen mayor rendimiento, en los limites del mismo. La impedancia, ganancia, polarización son factores limitantes en la antena bandwidth. Una antena poco eficiente significa que va a reflectar toda la potencia a los transmisores, esto reduce la potencia de radiación y puede dañar al transmisor si el nivel de potencia es alto. Una impedancia no apropiada, también causa que mucha de la potencia de la señal recibida sea reflejada desde el receptor, atrás a las antenas a menudo especifican un mal acoplamiento.

Para muchas aplicaciones de transmisores pequeños, pequeñas dimensiones son extremadamente importantes. Estas guías del rendimiento tradicionalmente la ganancia y el ancho de banda disminuyen el tamaño de la antena. Esto tambien dificulta establecer una polarización circular o lineal con pequeñas antenas, es importante el diseño tradicional que puede ahora ser investigado usando software.

Un nuevo diseño de antenas empieza como una variación de un diseño existente, una combinación de características de dos o mas tipos de antenas o una idea completamente nueva y un entendimiento del electromagnetismo
El diseño básico puede ser definido para optimizar el rendimiento, utilizando también elementos de software de modelación y medidas que son usadas para estos fines. Algunos paquetes de software que existentes pueden ser usados para optimizar el rendimiento electromagnético, modelación de antenas usando varios métodos. Estos incluyen métodos como NEC , MININEC Y WIRE (FEM ) software, incluido HFSS Y FDTD como fidelidad, adicionalmente programas que han sido desarrollados para modelar rendimientos de antenas. Estos paquetes de software son usado para modelar y evaluar de un diseño de antena La tendencia de el rendimiento de las antenas versus parámetros de diseño pueden ser observados y los diseño pueden ser redefinidos en un proceso interactivo antes que la antena sea construida

Para definir un modelo como características físicas de una antena, impedancia radiación son necesarios pasos que pueden guiar mediante iteracciones. Diseños que son seleccionados, para la producción masiva, que utiliza procesos iteractivos, pueden redefinirse durante el proceso, de preproducción desarrollando un ciclo para llevar a cabo la construcción. Modernas aplicaciones requieren trabajar, en los límites del rendimiento de una antena. La reducción del tamaño las antenas se ha incrementado también para aplicaciones móviles. Pequeños y portables dispositivos requieren bajo perfil de las antenas y cuando es posible implementar las antenas en el dispositivo Para mas aplicaciones (ultra Wide bande es una excepción) en comunicaciones el ancho de banda del canal no es aprovechado, pero en antenas broadband o antenas multibandas, cuando se requiere trabajar dos o mas bandas para soportar múltiples servicios, tanto en aplicaciones comerciales como militares que desean minimizar, el numero de antenas, mientras mantienen un alto rendimiento para todas las aplicaciones inalámbricas así como un teléfono , computador que no contienen varias antenas. Mientras se requiere altas ganancias en las antenas para el uso de punto a punto, aplicaciones móviles y portables requieren antenas omnidireccionales de baja ganancia, antenas que son pequeñas pero aficientes. En algunas aplicaciones múltiples antenas son usadas en arreglos, que proveen alta ganancia diversidad, rechazo a la interferencia, todas estas antenas son designadas a través de una combinación de principios electromagnéticos y procesos iteractivos de variación de parámetros, modelación por computadora y construcción de un prototipo

ANTENAS EMBEBIDAS DE BAJA GANANCIA

Con nuevos radios portables se vuelven cada vez mas pequeños, lo transceivers los incluidos en los dispositivos, más antenas compactas, se requiere de reducir el tamaño de la antena tanto para aplicaciones de microonda como de bases celulares y comunicación inalámbrica de datos entre hubs estas antenas pueden proveer parámetros suficientes de ganancia y ancho direccional u onmidireccional en estas aplicaciones Dos cambios surgen en el diseño de antenas: El primero hay una principal relación entre el tamaño, ancho de banda y eficiencia de la antena. Segundo la ganancia tiene relación con el tamaño de la antena que son pequeñas antenas típicamente pequeñas que proveen bajas ganancias en relación a las antenas de mayor tamaño. Existe un empuje para el desarrollo de diseños de antenas embebidas en todo el ámbito de la industria de comunicaciones inalámbricas para la variedad de aplicaciones algunas ilustraciones se muestran en este articulo. Muchos tipos de antenas de bajo perfil, de muy alta eficiencia son aprovechadas en terminales compactos estas incluyen , L invertida (ILA), F invertida(IFA), doble F invertida(DIFA) y planar invertida (FIFA) todos estos tipos de antenas, estas antenas tienen anchos de banda, desde el ancho de banda bajo ILA hasta 10% para PIFA. Han sido investigados todas formas para ampliar el ancho de banda de las antenas en la familia PIFA sin sacrificar el rendimiento. Una similitud de tamaño con una antena que trabaja cerca de la limite de ancho de banda, las antenas: planar invertida F(WC-PIFA) que son mostradas en este artículo que opera en los 2.4 Ghz

Esta antena provee un modelo omnidireccional y un SWR de 2:1 de ancho de banda de aproximadamente 40% del centro de la frecuencia, o un ancho de banda aproximadamente 1.5:1






En base a un modelo computarizado WC-PIFA tiene un modelo parecido a una antena omnidireccional con un máximo de 2 a 3 dBi por ancho de banda. WC-PIFA puede ser fácilmente incluido en dispositivos portátiles, Ejemplo un PCM-CIA MODEM inalambrico . Adicionalmente los obvios requerimientos de las pequeñas antenas en terminales, el bajo perfil de los diseños de las antenas es importante, para varias aplicaciones inalámbricas. Algunas zonas de localidades son mas convenientes que otras, en lo que se refiere a requerimiento de la cobertura en zonas usando torres, lo que ayuda a tener una línea de vista, esencial en comunicaciones. Los diseños de la antena que son de bajo perfil o pequeñas físicamente se adaptan mejor a las comunicaciones. Adicionadamente las antenas con un bajo ancho de banda llevan consigo la reducción de costos de instalación, mantenimiento en condiciones de tiempo malas. Un ejemplo de un bajo perfil, alto rendimiento de antena espiral (SLH). Usada en aplicaciones utilizando stubs de acoplamiento.

Que presenta un modelo axial espiral, estos equipos utilizan polarización circular y alta ganancia, esta geometría produce, comparables ganancias y rendimientos, en relación a la espiral convencional que posee un volumen en el tamaño de 1 a 4 La reducción significativa en tamaño, con alto rendimiento permite hacer una antena SLH muy atractiva para el uso en enlaces punto a punto y punto multipunto a menos que se requiera línea de vista La SHL antena ha sido comercializada para usarse en 2.4 Ghz en sistemas WLAN, con ganancias de 10dBic en una antena con una longitud axial de 2.4 Ghz.

Algunas pequeñas antenas son diseñadas referidas al plano de tierra, para reflectar señales y alcanzar un modelo direccional. Típicamente el plano de tierra esta hecho de un conductor eléctrico y esta localizado a ¼ de longitud de onda hasta la antena, así que direcciona y reflecta ondas fase. Este espacio del un cuarto de onda aumenta el tamaño de la antena significativamente, conductores magnéticos artificiales o estructuras huecas electromagnéticos han sido desarrollados para proveer una reflexión en fase en el momento de recibir señales la antena esto da como resultado una reducción en el tamaño de la antena, además expande otras características como el ancho de banda

ANTENAS BANDA EXTENDIADA Y MULTI BANDAS

Usuarios móviles acceden a varios servicios en una banda de frecuencias. Ejemplos servicios de comunicación móvil, posicionamiento, localización, servicios celulares a 800Mhz PCS y GSM a 1990Mhz GPS a 1500Mhz y bandas sin licencias de 2400Mhz, radiodifusión AM/FM convencional que se hallan tradicionalmente en vehículos.

En cuanto a servicios como acceso a internet inalámbrico, sistemas de vehículos inteligentes y difusión de audio digital por satélite son disponibles para usuario móviles.Tradicionalmente el aparecimiento de nuevos servicios de comunicaciones para vehículos requiere de otra antena, típicamente una variante de un monopolo. stos usualmente se producen en vehiculos de alta tecnología para servicios públicos y comerciales. En la fabricación de automóviles se están empleando más comunicaciones electrónicas, dentro de nuevos modelos, tarjetas del futuro tienen antenas discretas que soportan muchas funciones requiriendo antenas con capacidad para múltiples bandas y ancho de banda, en la fabricación de automóviles prefieren tener antenas de baja potencia en una o en unas pocas localizaciones del vehículo, para soportar múltiples servicios inalámbricos. Antenas que cubren mas de una banda de frecuencias son usadas en nuevos teléfonos móviles que soportan convencionalmente PCS /GSM, antenas celulares/GPS. Estas tendencias hacia la capacidad multibanda continuará y acelerara el desarrollo de más servicios, en diferentes frecuencias disponibles.

Las antenas multibanda generalmente proveen una impedancia apropiada y rendimiento sobre uno o dos banda angostas de frecuencias, como los servicios se incrementan las antenas wideband puede ser la solución más económica, las antenas wideband proveen soporte para aplicaciones actuales y en un futuro que no son limitadas a una especifica banda estrecha. Adicionalmente se puede configurar un tipo de antena de emergencia que se puede trabajar en anchos de banda instantáneos amplios. Muchas antena wideband pertenecen a una clase conocidas como antenas de frecuencia independiente estas tienen usualmente una similar estructura en la parte activa, a antena logarítmica que capta idéntica frecuencia, tipicamente estos tipos de antenas son log-periódicas, dipolos, arreglos espirales y antenas sinuous. Las antenas espiral y sinuous. Son capaces de proveer una apropiada impedancia y relativa consistencia en la ganancia y rendimiento, sobre varios octavos de longitud de onda, la antena espiral tienen una polarización circular considerando que sinuous produce una polarizacion horizontal y vertical o polarización circular, a expensas de complicación en la estructura estas antenas tiene una dimension aproximadamente de 0.5 longitudes de onda a una frecuencia de operación. Recientemente, antenas más compactas están apareciendo, como es el caso de Forsquare y Fourpoints. La antena Foursquare tienen un ancho de banda SWR de 2:1 SWR, de ancho de banda 1.8:1 y Fourpoints tienen un moderado ancho de banda de 3:1
Las figuras no muestran detalles de Fourpoints, El ensamblaje es simple como el de una microstripe, tanto Foursquare y Fourpoint, poseen polarizaciones, ortogonales duales lineales y las antenas sinous pueden ser usados.

ARREGLOS Y ANTENAS “INTELIGENTES”

El futuro de los sistemas inalámbricos incluirá ciertamente el despliegue de arreglos. Entre estos arreglos están situadas las antenas "inteligentes" las cuales integran un radio de inteligencia con la antena. Arreglos de antenas que se han usado ampliamente en aplicaciones militares durante décadas están empezando a encontrar aplicaciones comerciales. Los arreglos utilizan antenas múltiples, o elementos, para lograr un alto rendimiento que incluyen ganancias altas. Estos arreglos también pueden dirigir el lóbulo de radiación de energía para mejorar la transmisión y recepción para rechazar señales de interferencia. Utilizando solo antenas o Arreglos de antenas algunas veces requerimos cubrir un gran ancho de banda.

Las naves militares y avión han limitado espacio para llevar a bordo las antenas. Ellos requieren arreglos que soporten comunicaciones, radar, señales inteligentes y navegación para una gama amplia de frecuencias. Se necesitan soluciones similares para vehículos comunes que llevan radios para las comunicación, navegación y entretenimiento. En este diseño para banda ancha, los arreglos multicanales están cambiando. Elementos de banda ancha que se mencionaron en la ultima sección se necesitan para la base de los arreglos. Los elementos deben ser examinados cuidadosamente para permitir seguir la dirección del lóbulo principal de los arreglos por encima de un rango angular amplio dentro de las frecuencias del ancho de banda del arreglo. Si el espaciamiento entre elementos es demasiado grande, entonces los lóbulos radiados indeseables ( la antena emite en otras direcciones que en la dirección del lóbulo deseado) se dirigirán hacia donde radie el arreglo. El espaciamiento entre los elementos debe permitir a los elementos que son lo suficientemente largos operar en el limite bajo del ancho de banda de los arreglos.

Las interacciones electromagnéticas entre los elementos del arreglo espaciados estrechamente próximos varían el modelo de los elementos individuales y también afectan los modelos del arreglo conseguible. Este acoplamiento mutuo, es un efecto dependiente de la frecuencia y es una consideración importante.

Cuando una sola configuración del arreglo no encuentra las demandas de una aplicación, se puede utilizar un arreglo reconfigurable. Un ejemplo rápido es los arreglos Wullenweber, forman un arreglo circular desarrollado para buscar direcciones en altas frecuencias. El arreglo puede usar elementos omnidireccionales o los elementos direccionales que se orientan radialmente hacia el exterior. El arreglo consiste típicamente en 30 a 100 elementos uniformemente espaciados. Un set inmediato de aproximadamente un tercio de los elementos se usa para formar un lóbulo de radiación orientado radialmente hacia el exterior desde el arreglo. Una red conmutada utiliza goniómetro para conectar los elementos apropiados a la radio, y puede incluir algún retardo de amplitud para controlar el modelo del arreglo serie. Los más nuevos métodos utilizando diodos PIN o sistema de interruptores microelectromecanicos(MEMS) para reconfigurar arreglos o elementos dentro de los arreglos para bandas de frecuencias especificas o escenarios operacionales. Arreglos de antenas pueden usarse en conjunto con técnicas de procesamiento de señales tales como el espacial y el proceso adaptable espacio tiempo. En estos métodos el modelo del arreglo es dinámicamente controlado para optimizar la señal recibida.

Perfeccionar el signo recibido dinámicamente.

En el caso del proceso adaptable espacio tiempo, el modelo de control es formado justamente con el canal de ecualización para ayudar a controlar interferencia entre símbolos que ocurren cuando las señales digitales de banda ancha son transmitidas sobre canales con múltiple trayectoria.

Otra técnica avanzada que usa antenas múltiples es la codificación espacio-tiempo. Por el uso de más de una antena en el transmisor y en el receptor, un sistema de comunicaciones con codificación espacio tiempo explota efectivamente los múltiples canales espaciales para soportar comunicaciones con tasas de transferencia de datos mas allá de los predecidos por el teorema de Shannon para un canal simple.

Las aplicaciones inalámbricas futuras pueden ser de arreglos de antenas integradas en los paneles del vehículos que proporcionando un ancho de banda que cubra las necesidades de los servicios móviles desplegados. Puesto que es difícil obtener cobertura omnidireccional sobre un vehículo, pueden ponerse elementos múltiples alrededor de la estructura del vehículo para proporcionar la cobertura deseada. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 7 modelo a escala de un automóvil usando antenas dentro de los retrovisores para proporcionar cobertura del hemisferio delantero. Además de combinar los elementos para formar un lóbulo de radiación simple, ellos pueden ser usados individualmente para proveer diversidad de ganancias en canales que presentan desvanecimiento debido a la interferencia por múltiple trayectoria. Se usan antenas múltiples en las estaciones base de celulares para proporcionar diversidad al transmitir y recibir para mejorar la cobertura y fiabilidad dentro de la célula. En las estaciones base, el amplio espaciamiento (10 a 20 longitudes de onda) entre los elementos normalmente se exige para lograr una correlación baja del desvanecimiento de la señal envuelta en diferentes antenas lo cual es una condición necesaria para mejoras significativas de diversidad. La reciente investigación ha demostrado que esa ganancia de diversidad puede ser realizada usando múltiples antenas montadas en la proximidad en el radio del handheld. Esto es posible debido al ancho del ángulo ensanchado de los componentes de la múltiple trayectoria para un Terminal handheld que opera en un ambiente desordenado. Usando una combinación de diversidad espacial y de polarización, se han observado mejoras significantes en el desvanecimiento de la señal.

Una estación base inteligente testbed fue desarrollada, permite comparación directa entre la diversidad espacial, polarización y diversidad del ángulo. El testbed, mostrado en la Figura 8, opera en la banda de los celulares. Además del múltiple canal el receptor de la estación base y el data logger, el testbed incluye un transmisor que puede llevarse a mano o montado en un vehículo. El testbed era usado para medir ganancia de diversidad con un transmisor en áreas urbanas y suburbanas a las distancias de 665 a 2670 m desde las antenas de la estación base. La diversidad de ganancia de 4.6 a 10.9 dB al 1 % de probabilidad fueron logrados usando diversidad de la selección espacial, polarización y diversidad de ángulos en la configuración de las antenas.

El HAAT fue usado también para evaluar lóbulos de radiación adaptables usando arreglos del handheld. Arreglos multipolarisados de cuatro elementos lograron un SINR de 25 a 50 dB después patrón de radiación en líneas de igual a igual en escenarios con línea de vista, y 12 a 26 dB en escenarios de microcelulas.



Jorge L. Polentino U. 19769972
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