Diseño, construcción y caracterización de un arreglo de antenas de banda ancha basado en metamateriales

Abstract

Los arreglos de antenas son una de las mejores tecnologías para implementar radioenlaces, ya que presentan propiedades que ninguna antena individual posee. Su excelente desempeño los ha llevado a muchas aplicaciones, principalmente gracias a su capacidad de sintetizar y controlar electrónicamente la posición de uno o más haces. Entre las aplicaciones que se están desarrollando hoy en día con arreglos de antenas se encuentra Radiovisión: proyecto del Laboratorio de Ondas Milimétricas de la Universidad de Chile. El objetivo de Radiovisión es detectar y localizar la radiación emitida por teléfonos celulares. Para esto -en particular para localizar la fuente de radiación-, es necesario construir un arreglo de antenas que opere en todas las bandas de subida de datos de telefonía celular en Chile, es decir, en las bandas UMTS y LTE centradas en 750 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1700 MHz, 1900 MHz y 2600 MHz. Este trabajo presenta el diseño, la construcción y caracterización de un arreglo de antenas para Radiovisión. El arreglo es cuadrado-planar y consta de 2$\times$2 antenas. La antena base que forma el arreglo debe operar en todas las bandas de subida de datos y debe cumplir las siguientes especificaciones: Tamaño igual o menor a 6.8 cm, parámetro $S_{11}$ menor a -6 dB, eficiencia mayor a 50\%, máximo de radiación en 0$^{\circ} \pm 5^\circ$ con respecto a la normal del plano, ancho de haz a media potencia mayor que 90$^{\circ}$ y FBR (\textit{front-to-back ratio}) mayor a 10 dB. Debido a la dificultad que implican todas las especificaciones dadas, se diseñaron tres prototipos de antena para lograr el mejor resultado posible. En particular, como es difícil obtener un FBR mayor a 10 dB en todas las bandas con técnicas convencionales, se usó un metamaterial planar para implementar un plano reflector. Este se comporta como un conductor magnético artificial en ciertas bandas y como un conductor eléctrico en otras. Además se usaron técnicas de miniaturización para lograr el tamaño necesario para el arreglo. Las antenas fueron simuladas con el programa de simulación electromagnética ANSYS HFSS 19 y construidas mediante las técnicas de impresión de circuitos en sustratos FR4 y Rogers Kappa438 de 1.5 mm de espesor. Las mediciones se efectuaron con un montaje experimental que permite obtener las pérdidas por retorno ($S_{11}$) y los patrones de radiación en dos planos perpendiculares y en dos componentes ortogonales de polarización. La antena con mejor desempeño fue la espiral, con un ancho de banda porcentual de 129.7 \% que cubre todas las bandas especificadas. La antena tiene un tamaño de 7.5 cm y su ancho de haz promedio es de 71.42$^{\circ}$. Estas últimas dos características permiten obtener un campo de visión efectivo de 67$^{\circ}$. El FBR es mayor a 10 dB en las bandas de 1700, 1900 y 2600 MHz. Los resultados obtenidos son satisfactorios y cumplen en su mayoría con los requerimientos mencionados, aunque las tres antenas propuestas aún pueden ser mejoradas.