Reconfiguración en frecuencia de una antena tipo parche utilizando un circuito de control enlazado a una red inalámbrica

Abstract

Abstract: This paper shows the implementation of a frequency reconfigurable patch antenna for two operation frequencies: 850 MHz and 1,7 GHz. The reconfiguration is achieved by a control circuit realized in microstrip technology and IC RF switches controlled by an application linked to a wireless network. A comparison between measured and simulated results are shown with a well agreement which shows a suitable antenna adaptability for the two operation frequencies. Keywords: frequency reconfigurability; patch antenna; RF switches. 1.Introducción Las tecnologías inalámbricas en la actualidad demandan continuamente soluciones complejas tanto a nivel de hardware como de software (Barba-Molina, 2018).

Headnote

Resumen: Este artículo presenta la implementación de una antena parche reconfigurable para dos frecuencias de trabajo: 850 MHz y 1,7 GHz. La reconfiguración se logra por medio de un circuito de control implementado con tecnología microstrip y circuitos integrados conmutadores de radiofrecuencia controlados por medio de una aplicación enlazada a una red inalámbrica. Se presenta una comparación entre resultados medidos y simulados con una aceptable concordancia entre ellos obteniéndose una adecuada adaptabilidad de la antena a ambas frecuencias de operación.

Palabras-clave: reconfigurabilidad en frecuencia; antena parche; conmutadores RF.

Abstract: This paper shows the implementation of a frequency reconfigurable patch antenna for two operation frequencies: 850 MHz and 1,7 GHz. The reconfiguration is achieved by a control circuit realized in microstrip technology and IC RF switches controlled by an application linked to a wireless network. A comparison between measured and simulated results are shown with a well agreement which shows a suitable antenna adaptability for the two operation frequencies.

Keywords: frequency reconfigurability; patch antenna; RF switches.

1.Introducción

Las tecnologías inalámbricas en la actualidad demandan continuamente soluciones complejas tanto a nivel de hardware como de software (Barba-Molina, 2018). Uno de los puntos sensibles en los sistemas inalámbricos son los componentes del front-end de dichos sistemas, específicamente en el diseño de antenas, así como del control de las mismas. Cada vez los avances tecnológicos apuntan a la utilización eficiente de los elementos radiantes, antenas, en términos de ocupación espacial y aprovechamiento de su apertura (Hesselbarth, Lopez-Cuenca, & Barba-Molina, 2016). En este contexto, las antenas reconfigurables se muestran como una solución atractiva (Christodoulou, Tawk, Lane, & Erwin, 2012). Si bien este concepto es amplio extendiéndose a la reconfiguración de frecuencia, polarización y patrón de radiación (Costantine, Tawk, Barbin, & Christodoulou, 2015), la reconfiguración de la frecuencia de trabajo aparece como la solución ideal para sistemas de comunicaciones en los cuales coexisten diferentes estándares trabajando a diferentes frecuencias (Matin, 2015). Asimismo, el concepto de reconfiguración encuentra su campo de acción en aplicaciones médicas que requieran radiación en el cuerpo humano (Pancera, Barba, Li, Jalilvand, & Zwick, 2011).

El presente trabajo muestra la implementación de una antena parche reconfigurable en frecuencia controlada por un circuito comandado por una aplicación enlazada a una red inalámbrica. En primer lugar, se presenta de manera general el concepto de reconfiguración en frecuencia basado en la modificación de la longitud eléctrica de un elemento radiante. Seguidamente, se detalla la implementación tanto de la antena, circuito de control y aplicación de control. Por último, se presenta un análisis comparativo entre resultados simulados y medidos. Este trabajo complementa los resultados simulados reportados en (Chafla-Altamirano et al., 2019).

2.Reconfigurabilidad en frecuencia

Bajo el concepto de reconfigurabilidad, una antena reconfigurable se entiende como aquella que permite la variación de una de sus propiedades características (frecuencia de operación, patrón de radiación y polarización) o la combinación de éstas (Costantine et al., 2015). Específicamente, la reconfiguración de la frecuencia de operación, desde el punto de vista circuital, es la modificación del acoplamiento del elemento radiante (antena) a una u otra frecuencia de trabajo, a las cuales, de manera ideal (eficiencia de radiación = 1), toda la energía aceptada por la antena es radiada.

Al ser la antena un componente pasivo de radiofrecuencia, sus propiedades circuitales pueden ser modificadas en frecuencia mediante alteración mecánica de su estructura, básicamente, modificación física del tamaño del elemento radiante; o bien mediante alteración de la longitud eléctrica de la estructura. Ambas técnicas modifican la impedancia de entrada de la antena lo que permite la reconfigurabilidad de la frecuencia de operación de ésta.

Una alteración mecánica de la estructura de la antena, sin embargo, conlleva ciertas desventajas, por ejemplo, la utilización de elementos activos en la estructura radiante mismos que demandan técnicas de polarización para su funcionamiento. Estos elementos activos (MEMS, foto interruptores, diodos varactores) permiten la conmutación entre secciones de toda la estructura modificando físicamente la forma o el tamaño de la misma (Alam & Abbosh, 2016; Weedon, Payne, & Rebeiz, 2001). Este procedimiento, por consiguiente, demanda diseños novedosos y mucho más elaborados (Panagamuwa, Chauraya, & Vardaxoglou, 2006; Ye & Gao, 2015). En cambio, la modificación de la longitud eléctrica de la estructura no requiere de elementos activos operando directamente en la parte radiante, únicamente puntos adecuados de alimentación y conformación de fases de alimentación (Barba-Molina & Hesselbarth, 2015).

La técnica de variación de la impedancia de entrada por medio de la modificación de la longitud eléctrica de una antena ha sido realizada en arreglos lineares conectados de antenas. Esta técnica aprovecha el fuerte acoplamiento mutuo que existe entre los elementos radiantes actuantes (Hansen, 2004).

La Figura 1 ilustra la técnica de modificación de la longitud eléctrica en un arreglo conectado de dipolos. Ambos dipolos tienen una longitud física L. El dipolo de la Figura la) está alimentado con una fuente de magnitud Ui. Para una longitud L = X1/2, Г » 0, es decir, el dipolo está acoplado para una frecuencia de trabajo f. Este acoplamiento se mantiene invariable ante cualquier fase ф1 (aplicada en la fuente) que alimente la estructura. Ahora, considérese el arreglo planteado en la Figura ib). El esquema representa dos dipolos galvánicamente interconectados en un arreglo alimentado en dos localizaciones sobre la estructura con voltajes de magnitud Ua y Ub, y fases фа y фь, respectivamente, por medio de un divisor de potencia de magnitud equilibrada 1:2 con fase ajustable Дф y dotado con un punto de alimentación principal U2.

Si bien la longitud física del arreglo de dipolos en la Figura 1b) es igual a la longitud física del dipolo en la Figura 1a), la longitud eléctrica del arreglo puede ser modificada al variar las fases de alimentación фа y фь (controladas por Дф en el divisor de potencia). De esta manera, se espera que Г2 sea cero (o muy cercano a cero) para al menos dos frecuencias de trabajo,fa y fb con esquemas de alimentación Дфа y Дфь, respectivamente.

Se ha demostrado incluso, en una realización de un arreglo conectado de tres elementos (Barba-Molina & Hesselbarth, 2015), que cuando la longitud eléctrica del arreglo es aproximadamente media longitud de onda, un esquema de variación de fase en los tres puntos de alimentación produce variación de la orientación azimut del lóbulo de radiación. Este fenómeno sería imposible de conseguirlo con un solo elemento de dicha longitud.

Bajo este esquema de alimentación, es decir, control de la variación de fase en elementos radiantes fuertemente acoplados, se presenta un prototipo de antena tipo parche reconfigurable en frecuencia con dos alimentaciones controladas por un circuito externo comandado por una aplicación enlazada a una red inalámbrica.

3.Estructura del prototipo

La Figura 2 muestra el esquema de implementación de la antena con el circuito de control de reconfiguración de frecuencia para 850 MHz y 1,7 GHz. El elemento radiante es una antena tipo parche alimentada en dos localizaciones sobre la estructura mediante dos entradas coaxiales. El circuito de control está conformado por una entrada principal (MAIN) conectada a un circuito integrado HMC545 conmutador de radiofrecuencia (SWITCH 1). Este conmutador permita la conexión de la entrada principal hacia divisores de potencia conectados a redes de variación de fase según la frecuencia de trabajo a configurar en la antena Дфу = 850 MHz y Дфу = 17 GHz, respectivamente. Cada una de las redes de cambio de fase se conectan a su vez con dos conmutadores los que permiten que la señal, previamente modificada según el esquema de reconfiguración, alimente la antena. El control para la selección de los caminos hacia las redes cambiadoras de fase se lo realiza empleando la plataforma de Arduino misma que es comandada por un servidor a través de un módulo WiFi (ESP8266).

3.1.Antena parche

La Figura 3 ilustra la antena parche propuesta. La estructura está construida sobre substrato FR4 cuyas propiedades dieléctricas han sido debidamente caracterizadas utilizando un método de comparación entre simulaciones y medidas de las propiedades de la onda de voltaje propagada en líneas microstrip impresas sobre el substrato (espesor h = 1,5 mm, permitividad caracterizada sr = 4,25). Las entradas coaxiales de 50 ü alimentan el parche en los puntos FP-A y FP-B ubicadas a lo largo del eje de simetría magnético. Las dimensiones del parche W = 108,92 mm y L = 84,13 mm son obtenidas con fórmulas de diseño conocidas partiendo de un radiador operando a 850 MHz (Balanis, 2016).

Para la determinación de los puntos adecuados de alimentación se realiza un análisis paramétrico mediante el software de simulación electromagnética tridimensional CST Studio Suite utilizando el método de elementos finitos conjuntamente con su herramienta de simulación circuital de radiofrecuencia. La configuración esquemática circuital se muestra en la Figura 4. El elemento "Antena" corresponde a la estructura tridimensional propuesta (Figura 3) mientras que los elementos "Cambiador de fase Дф" y "Divisor de Potencia 1:2" son componentes ideales que son configurados según los requerimientos del análisis.

El objetivo del análisis paramétrico es contrastar el coeficiente de reflexión combinado Г obtenido para las dos frecuencias de operación requeridas al variar la posición de los puntos de alimentación FP-A y FP-B (determinados por la dimensión L) y la diferencia de fase entre ellas Дф. La Figura 5 muestra el resultado del análisis paramétrico realizado.

Como parámetro de diseño se determinó que una buena adaptación se consigue cuando las pérdidas por reflexión muestran al menos un valor de 15 dB. Se puede observar entonces que para obtener una buena adaptación en ambas frecuencias de operación con una única estructura la posición de los alimentadores varía entre L1 = 19 mm y L1 = 39 mm y la diferencia de fase entre éstos varía entre Дф = -82o y Дф = -i8o° para una frecuencia de operación de 850 MHz y entre Дф = 0° y Дф = -100° para la frecuencia de operación de 1,7 GHz.

En base a este análisis y considerando las factibilidades de manufactura, se determina que las alimentaciones FP-A y FP-B se localizarán en Li = 32,33 mm misma que satisface una adecuada adaptación de la antena a 850 MHz para una diferencia de fase de Дф = -104° y a 1,7 GHz para una diferencia de fase de Дф = -50°.

La Figura 6 muestra una fotografía del prototipo de antena construido.

3.2. Circuito de control

El diseño del circuito de control se realizó utilizando la herramienta de simulación Keysigth® Advanced Design System. La Figura 7 muestra una fotografía de la implementación del circuito en substrato FR4 con tecnología microstrip. La alimentación principal (MAIN) y las salidas hacia la antena (OUT 1 y OUT 2) están provistas de conectores coaxiales SMA. Los divisores de potencia son del tipo Wilkinson con ramales de un cuarto de longitud de onda del tipo meander para optimizar el espacio de implementación. Las redes desfasadoras están implementadas con secciones de líneas de transmisión. Los circuitos integrados HMC545 están implementados conforme lo sugerido por el fabricante. Todos los elementos concentrados son del tipo SMD.

3.3. Aplicación de control

El control de los circuitos integrados conmutadores de radiofrecuencia se lo realiza por medio de una aplicación empleando la plataforma de Arduino para la selección de una de las pistas en la placa de control.

La Figura 8 muestra las pantallas del servidor implementadas. Al iniciar el circuito, se establece conexión con una red inalámbrica por medio del módulo WiFi y se informa la dirección IP del servidor para comandar los circuitos. La pantalla de inicio (Figura 8a)) presenta tres opciones: "850 MHz", "1,7 GHz" y "APAGAR DISPOSITIVO". En este estado, el usuario puede escoger una las tres opciones. Al seleccionar "850 MHz" el servidor muestra la pantalla de la Figura 8b) y activa las pistas respectivas para la adaptación de la antena a la frecuencia de trabajo de 850 MHz. Asimismo, la selección "1,7 GHz" muestra la pantalla de la Figura 8c) y selecciona el otro camino en la placa de control. La opción "APAGAR DISPOSITIVO" muestra la pantalla ilustrada en la Figura 8d) y desconecta los conmutadores.

4.Resultados

La Figura 9 muestra el montaje de medición implementado. Se realizaron medidas de los coeficientes de reflexión (parámetro S11) con un analizador vectorial de redes debidamente calibrado. Las salidas OUT 1 y OUT 2 están interconectadas con las entradas de la antena por medio de cables coaxiales de 50 ü de igual longitud con el fin de mantener el desfasamiento requerido.

La Figura io muestra los resultados obtenidos en las mediciones comparados con los resultados simulados. Cualitativamente se observa una adecuada concordancia entre medidas y simulaciones.

En un análisis cuantitativo, se observa que cuando el circuito de control configura la antena para una frecuencia de trabajo de 850 MHz (Figura 10a)) las pérdidas de reflexión a esta frecuencia son de 23,1 dB mientras que a la frecuencia de 1,7 GHz las pérdidas son de 5,0 dB. De igual manera, cuando el circuito de control configura la adaptación de la antena a una frecuencia de trabajo de 1,7 GHz (Figura 10b)), las pérdidas de reflexión a esta frecuencia son de 18,8 dB mientras que a la frecuencia de 850 MHz las pérdidas son de 9,6 dB.

Estos resultados confirman el correcto funcionamiento de la antena reconfigurable en frecuencia.

5.Conclusiones

Se presenta la implementación de una antena parche reconfigurable para dos frecuencias de operación: 850 MHz y 1,7 GHz. En primer lugar, se aborda de manera general el concepto de reconfigurabilidad, en especial, en frecuencia al modificar la longitud eléctrica de un elemento radiante. Se presenta la estructura de cada una de las partes constitutivas del sistema de reconfiguración: la antena parche, el circuito de control y la aplicación para el control de reconfigurabilidad. Valores medidos y simulados son presentados en un análisis comparativo verificando efectivamente la capacidad de reconfiguración del sistema para las dos frecuencias en cuestión.

El prototipo es diseñado para dos frecuencias de operación. Sin embargo, el concepto puede ser escalado a varias frecuencias de operación interconectando varios elementos radiantes. Así, el concepto puede ser aplicado en diferentes tecnologías que busquen la reducción tanto espacial como de apertura en el front-end. De igual manera, el concepto puede ser aplicado en aplicaciones de telemedicina que requieran de reconfigurabilidad controlada remotamente.

References

Referencias

Alam, M. S., & Abbosh, A. (2016). Planar pattern reconfigurable antenna with eight switchable beams for WiMax and WLAN applications. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 10(10), 1030-1035.

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Barba-Molina, H. (2018). Shared-aperture Adaptive Microwave and Millimeter Wave Antennas. Universität Stuttgart.

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Costantine, J., Tawk, Y., Barbin, S. E., & Christodoulou, C. G. (2015). Reconfigurable antennas: Design and applications. Proceedings of the IEEE, 103(3), 424-437.

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Hesselbarth, J., Lopez-Cuenca, D., & Barba-Molina, H. (2016). Millimeter-wave frontend integration concept using beam-switched lens antenna. 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) (pp. 1-5). IEEE.

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