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Ejemplos de aplicación

Simulación de antena MIMO portátil de doble banda


Introducción

En este ejemplo de diseño de antena, se evalúa una antena de doble banda construida con material textil para su uso en una aplicación corporal. El diseño y la evaluación proceden de un artículo publicado en una revista [1]. El diseño base de la antena es un parche rectangular construido con un material textil cubierto con una cinta conductora. El parche tiene paredes de cortocircuito y una vía de sintonización para mejorar el rendimiento y proporcionar resultados de doble banda. La antena es flexible, por lo que se simula tanto en posición plana como doblada para evaluar el impacto en el rendimiento. La radiación de la antena sobre un cuerpo fantasma se realiza para confirmar que los valores de la tasa de absorción específica (SAR) son aceptables. Para su uso en aplicaciones MIMO, el parche se empareja en conjuntos de distintas configuraciones y se evalúa.

Diseño de dispositivos y simulación de antenas MIMO

Antena única - Plana

Esta simulación de antena MIMO se centra en el diseño de una antena de parche flexible de doble banda construida con material textil para su uso en una aplicación corporal. El diseño básico de la antena de parche se muestra en las figuras 1a (vista superior) y 1b (vista en ángulo). El parche es rectangular y consta de una capa de 3 mm de un tejido de fieltro que actúa como sustrato, el cual está cubierto por una fina capa de cinta conductora flexible. Dos lados adyacentes del sustrato están cubiertos con paredes de cortocircuito para ayudar en el aislamiento entre los elementos vecinos cuando se utiliza como parte de un conjunto. Se ha colocado una vía en el sustrato para modificar los modos resonantes de la cavidad y conseguir un rendimiento de doble banda. Los parámetros de diseño y las pruebas de rendimiento son similares a los del artículo [1].

Figura 1: Vistas superior (izquierda, 1a) y en ángulo (derecha, 1b) de la geometría de la antena de parche. La alimentación coaxial y la vía son visibles como círculos grandes y pequeños en la parte superior del parche. Los lados -X y -Y del parche están en cortocircuito con el plano de tierra.

Figura 1: Vistas superior (izquierda, 1a) y en ángulo (derecha, 1b) de la geometría de la antena de parche. La alimentación coaxial y la vía son visibles como círculos grandes y pequeños en la parte superior del parche. Los lados -X y -Y del parche están en cortocircuito con el plano de tierra.

La antena de parche inicial se simula en XFdtd y la pérdida de retorno resulta aceptable en las bandas de 2,5 GHz y 5,5 GHz, con una banda más ancha en la frecuencia más alta (Figura 2). En la Figura 3 se muestra el campo magnético en estado estacionario a través de la superficie del parche a varias frecuencias. En la Figura 3a, se muestra el primer modo a 2,45 GHz. Otros modos son visibles a 5,2 GHz (Figura 3b) y 5,8 GHz (Figura 3d). La figura 3c muestra los campos H a 5,5 GHz. El patrón de ganancia del parche es esférico (figura 4) y tiene un valor máximo de unos 3,4 dBi a 2,45 GHz y de 6,7 dBi a 5,5 GHz.

Figura 2: La pérdida de retorno del parche único muestra un nulo profundo en torno a 2,5 GHz y dos nulos menos profundos en torno a 5,4 y 5,8 GHz que producen una región de funcionamiento más amplia en las bandas de frecuencia más altas.

Figura 2: La pérdida de retorno del parche único muestra un nulo profundo en torno a 2,5 GHz y dos nulos menos profundos en torno a 5,4 y 5,8 GHz que producen una región de funcionamiento más amplia en las bandas de frecuencia más altas.

Figura 3: Los diagramas de la distribución del campo magnético en estado estacionario muestran los distintos modos de funcionamiento del parche. La imagen superior izquierda (3a) corresponde a 2,45 GHz, mientras que la superior derecha (3b) corresponde a 5,2 GHz. Las dos imágenes inferiores (3c y 3d) muestran la respuesta a 5....

Figura 3: Los diagramas de la distribución del campo magnético en estado estacionario muestran los distintos modos de funcionamiento del parche. La imagen superior izquierda (3a) corresponde a 2,45 GHz, mientras que la superior derecha (3b) corresponde a 5,2 GHz. Las dos imágenes inferiores (3c y 3d) muestran la respuesta a 5,5 y 5,8 GHz.

Figura 4: Los patrones de ganancia del parche a 2,45 GHz (izquierda, 4a) y 5,5 GHz (derecha, 4b) son esféricos con valores de ganancia pico de 3,4 y 6,7 dBi, respectivamente.

Figura 4: Los patrones de ganancia del parche a 2,45 GHz (izquierda, 4a) y 5,5 GHz (derecha, 4b) son esféricos con valores de ganancia pico de 3,4 y 6,7 dBi, respectivamente.

Para evaluar el rendimiento de SAR, el parche se coloca 5 mm por encima de un maniquí formado por capas de piel, grasa y músculo que se muestra en la figura 5. Se calcularon los niveles SAR máximos promediados de 1 gramo para una potencia de entrada de 0,5 W y se comprobó que eran de 0,113 W/kg y 0,18 W/kg a 2,45 y 5,5 GHz, muy por debajo del máximo permitido por las normas. Utilizando el análisis SAR promediado de 10 gramos, los niveles SAR para una potencia de entrada de 0,5 W fueron de 0,058 W/kg y 0,082 W/kg a 2,45 y 5,5 GHz, de nuevo muy por debajo del máximo permitido. En la figura 6 se muestra la distribución de los valores SAR promediados de 10 gramos para cada frecuencia.

Figura 5: Para comprobar la tasa de absorción específica (SAR) de la antena de parche, ésta se simula sobre un maniquí de tres capas de tejidos equivalentes a piel, grasa y músculo.

Figura 5: Para comprobar la tasa de absorción específica (SAR) de la antena de parche, ésta se simula sobre un maniquí de tres capas de tejidos equivalentes a piel, grasa y músculo.

Figura 6: Los gráficos de SAR promediados en 10g a 2,45 GHz (izquierda, 6a) y 5,5 GHz (derecha, 6b) indican las regiones con mayor absorción de potencia en el maniquí. Los valores corresponden a una potencia de entrada de 0,5 W y están muy por debajo de las normas permitidas.

Figura 6: Los gráficos de SAR promediados en 10g a 2,45 GHz (izquierda, 6a) y 5,5 GHz (derecha, 6b) indican las regiones con mayor absorción de potencia en el maniquí. Los valores corresponden a una potencia de entrada de 0,5 W y están muy por debajo de las normas permitidas.

Antena única - curva

A continuación se evalúa el rendimiento del diseño de antena de parche en condiciones más realistas para un entorno de uso corporal en el que podría haber curvatura de la antena. El diseño se prueba con radios de curvatura de 40 mm y 80 mm en los ejes X e Y de la antena. En la figura 7 se muestran las configuraciones de curvatura con radios de 40 mm en cada dirección. En todos los casos de curvatura, las pérdidas de retorno son muy uniformes en la banda inferior, mientras que en la banda superior se producen algunas variaciones en la profundidad y la ubicación de los nulos, como se muestra en la Figura 8. En todos los casos, las prestaciones de la antena se mantienen en la banda superior. En todos los casos, el rendimiento de la antena se mantiene a niveles aceptables. Para un radio de curvatura de 40 mm, los diagramas de ganancia a 2,45 GHz son muy coherentes con la geometría plana en la forma del diagrama, mientras que la ganancia máxima desciende de 3,4 dBi a 2,2 dBi (curvatura en el eje X) y 1,8 dBi (curvatura en el eje Y). A 5,5 GHz, el patrón de ganancia se vuelve menos uniforme y la ganancia máxima se reduce en unos 2 dBi con respecto al caso de geometría plana. En la Figura 9 se muestran los diagramas de ganancia con radio de curvatura de 40 mm. Para los casos de radio de curvatura de 80 mm, la forma de los diagramas de ganancia es más parecida a la del caso de geometría plana, pero la ganancia de pico se reduce a 2,8 dBi (curvatura en el eje X) y 2,5 dBi (curvatura en el eje Y) a 2,45 GHz. La ganancia de pico a 5,5 GHz se reduce en aproximadamente 1 dBi en ambos casos de curvatura. En la figura 10 se muestran los diagramas para los casos de radio de curvatura de 80 mm.

Figura 7: El parche se muestra en una configuración curva en la que el radio de curvatura es de 40 mm. A la izquierda (7a) la curvatura es alrededor del eje X mientras que a la derecha (7b) es alrededor del eje Y. Se simularon geometrías similares para una curvatura de 80 mm r...

Figura 7: El parche se muestra en una configuración curva en la que el radio de curvatura es de 40 mm. A la izquierda (7a) la curvatura es alrededor del eje X mientras que a la derecha (7b) es alrededor del eje Y. Se simularon geometrías similares para una curvatura de 80 mm de radio.

Figura 8: Las pérdidas de retorno de todas las configuraciones del parche curvado alrededor de un radio muestran resultados similares, especialmente en el extremo inferior. Para la resonancia superior, la pérdida de retorno presenta ligeras variaciones, pero la región de funcionamiento es similar para todos los casos.

Figura 8: Las pérdidas de retorno de todas las configuraciones del parche curvado alrededor de un radio muestran resultados similares, especialmente en el extremo inferior. Para la resonancia superior, la pérdida de retorno presenta ligeras variaciones, pero la región de funcionamiento es similar para todos los casos.

Figura 9: Los diagramas de ganancia de la antena de parche en las estructuras curvas muestran ligeras variaciones en los diagramas y reducciones en la ganancia de pico. Las imágenes son 40 mm curva sobre X a 2,45 GHz (superior izquierda, 9a), curva sobre Y a 2,45 GHz (superior derecha, 9...

Figura 9: Los diagramas de ganancia de la antena de parche en las estructuras curvas muestran ligeras variaciones en los diagramas y reducciones en la ganancia de pico. Las imágenes son curva de 40 mm alrededor de X a 2,45 GHz (arriba a la izquierda, 9a), curva alrededor de Y a 2,45 GHz (arriba a la derecha, 9b), curva alrededor de X a 5,5 GHz (abajo a la izquierda, 9c) y curva alrededor de Y a 5,5 GHz (abajo a la derecha, 9d).

Figura 10: Los diagramas de ganancia de la antena de parche en las estructuras curvas muestran ligeras variaciones en los diagramas y reducciones en la ganancia de pico. Las imágenes son 80 mm curva sobre X a 2,45 GHz (superior izquierda, 10a), curva sobre Y a 2,45 GHz (superior derecha,...

Figura 10: Los diagramas de ganancia de la antena de parche en las estructuras curvas muestran ligeras variaciones en los diagramas y reducciones en la ganancia de pico. Las imágenes son 80 mm curva sobre X a 2,45 GHz (arriba a la izquierda, 10a), curva sobre Y a 2,45 GHz (arriba a la derecha, 10b), curva sobre X a 5,5 GHz (abajo a la izquierda, 10c) y curva sobre Y a 5,5 GHz (abajo a la derecha, 10d).

Matrices MIMO

A continuación, el diseño de la antena de parche base se coloca en una configuración de matriz de antenas 1x2 para su uso con múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). La orientación de las dos antenas varía en seis combinaciones diferentes en las que se gira uno o los dos elementos. Todas las configuraciones tienen una separación de 10 mm entre las antenas, y los bordes del parche que se enfrentan entre sí siempre contienen paredes de cortocircuito para minimizar la interacción. En la figura 11 se muestran las seis configuraciones. El rendimiento de la pérdida de retorno mostrada en la simulación del conjunto de antenas es muy consistente independientemente de la orientación del segundo elemento, como se muestra en la Figura 12. La interacción entre los elementos, determinada por el parámetro S12, se mantiene por debajo de -17 dB (Figura 13).

Figura 11: Se evaluó el rendimiento de seis configuraciones de un conjunto MIMO 1x2. En cada caso, la separación entre elementos de antena es de 10 mm y un lado en cortocircuito está siempre orientado hacia el elemento adyacente. Las configuraciones se denominan a, b y c acr...

Figura 11: Se evaluó el rendimiento de seis configuraciones de un conjunto MIMO 1x2. En cada caso, la separación entre elementos de antena es de 10 mm y un lado en cortocircuito está siempre orientado hacia el elemento adyacente. Las configuraciones están etiquetadas como a, b y c en la fila superior y d, e y f en la inferior. En cada caso hay una cierta rotación de los elementos para cambiar la ubicación de los puntos de alimentación y las paredes de cortocircuito.

Figura 12: Las pérdidas de retorno de todas las variaciones del conjunto MIMO (a a f de la Figura 11) son casi idénticas.

Figura 12: Las pérdidas de retorno de todas las variaciones del conjunto MIMO (a a f de la Figura 11) son casi idénticas.

Figura 13: El aislamiento entre los dos elementos del conjunto MIMO queda demostrado por el gráfico de la magnitud S12. En todos los casos, el aislamiento sigue siendo inferior a -17 dB.

Figura 13: El aislamiento entre los dos elementos del conjunto MIMO queda demostrado por el gráfico de la magnitud S12. En todos los casos, el aislamiento sigue siendo inferior a -17 dB.

Los patrones de ganancia individuales de las distintas configuraciones mostradas en la Figura 11 se calculan por separado y se comprueba que tienen una forma de patrón y un pico de ganancia similares, como los que se muestran en la Figura 14. La interacción de los dos patrones se considera calculando el coeficiente de correlación envolvente y el coeficiente de correlación compleja para determinar si los conjuntos tienen una diversidad aceptable. Los coeficientes de todas las configuraciones de los arrays están muy por debajo del valor 0,5 considerado aceptable y se detallan en la Tabla 1.

Tabla 1: Correlación de la envolvente y coeficientes de correlación complejos para los seis conjuntos MIMO a 2,45 y 5,5 GHz.

Tabla 1.png

Figura 14: Los gráficos de ganancia de cada parche para la configuración 11b se representan a 2,45 GHz (izquierda, 14a) y 5,5 GHz (derecha, 14b). Estos gráficos corresponden a cada antena activa de forma independiente.

Figura 14: Los gráficos de ganancia de cada parche para la configuración 11b se representan a 2,45 GHz (izquierda, 14a) y 5,5 GHz (derecha, 14b). Estos gráficos corresponden a cada antena activa de forma independiente.

Para calibrar la cobertura del conjunto, se suele utilizar como medida la potencia isótropa radiada equivalente (o efectiva) (PIRE). Utilizando la configuración de la figura 11b, en la figura 15 se representa y marca la función de distribución acumulativa de la PIRE para una potencia de entrada de 23 dBmW. El gráfico indica una cobertura de (1 - 0,69755) o el 30,2% de la esfera a 2,45 GHz y (1 - 0,62423) o el 37,6% de la esfera a 5,5 GHz. Las seis configuraciones de la figura 11 tienen una cobertura media del 28,6% a 2,45 GHz y del 38,3% a 5,5 GHz.

Figura 15: La función de distribución acumulativa de la potencia isótropa radiada equivalente (PIRE) indica la cobertura posible del conjunto para una potencia de entrada determinada. Para el conjunto de la figura 11b, la cobertura es del 30,2% a 2,45 GHz (1-0,69755) y ...

Figura 15: La función de distribución acumulativa de la potencia isótropa radiada equivalente (PIRE) indica la cobertura posible del conjunto para una potencia de entrada determinada. Para el conjunto de la figura 11b, la cobertura es del 30,2% a 2,45 GHz (1-0,69755) y del 37,6% a 5,5 GHz (1-0,62423) cuando se elige una potencia de entrada de 23 dBmW.

Array MIMO - Curvo

A continuación, el conjunto MIMO de la Figura 11b se curva alrededor de un radio de 40 mm, como se hizo anteriormente para el caso de un solo parche. En la figura 16 se muestra el array curvado alrededor del eje Y. Tras la simulación, los parámetros S muestran una buena pérdida de retorno para ambas antenas y un aislamiento superior a -27 dB entre los elementos en toda la gama de frecuencias (Figura 17). Los patrones de ganancia individuales para los dos elementos curvados a 2,45 GHz y 5,5 GHz muestran formas de patrón similares pero una ganancia reducida en comparación con la orientación plana (Figura 18). El coeficiente de correlación envolvente del array curvo es muy bueno, 6,0e-3 para 2,45 GHz y 5,1e-5 para 5,5 GHz. El coeficiente de correlación complejo es de 7,8e-2 y 7,1e-3 para las mismas frecuencias. En el análisis de la p.i.r.e., la cobertura del array curvo para una potencia de entrada de 23 dBmW mejora a la del array plano con valores del 32,2% y 48,1% para 2,45 y 5,5 GHz, como muestra la Figura 19.

Figura 16: El conjunto MIMO de la figura 11b se muestra curvado alrededor de un cilindro de radio 40 mm en torno al eje Y.

Figura 16: El conjunto MIMO de la figura 11b se muestra curvado alrededor de un cilindro de radio 40 mm en torno al eje Y.

Figura 17: Las pérdidas de retorno y el aislamiento del conjunto MIMO curvo de la figura 16 muestran un buen rendimiento con bandas en torno a 2,5 GHz y 5,3-6 GHz.

Figura 17: Las pérdidas de retorno y el aislamiento del conjunto MIMO curvo de la figura 16 muestran un buen rendimiento con bandas en torno a 2,5 GHz y 5,3-6 GHz.

Figura 18: Los patrones de ganancia de los elementos del array para la estructura curva de la Figura 16 están bien separados por la curva y deberían proporcionar cobertura en una región más amplia.

Figura 18: Los patrones de ganancia de los elementos del array para la estructura curva de la Figura 16 están bien separados por la curva y deberían proporcionar cobertura en una región más amplia.

Figura 19: La función de distribución acumulativa de la potencia isótropa radiada equivalente (PIRE) indica la cobertura posible del conjunto para una potencia de entrada determinada. Para el conjunto de la figura 16, la cobertura es del 32,2% a 2,45 GHz y del 48,1% a 5,5 ...

Figura 19: La función de distribución acumulativa de la potencia isótropa radiada equivalente (PIRE) indica la cobertura posible del conjunto para una potencia de entrada determinada. Para el conjunto de la figura 16, la cobertura es del 32,2% a 2,45 GHz y del 48,1% a 5,5 GHz para una potencia de entrada de 23 dBmW, lo que supone una mejora con respecto al conjunto plano de la figura 11b.

Conclusión

Este ejemplo demuestra un posible diseño de antena vestible para uso en doble banda construida con materiales textiles. El rendimiento de la antena sigue siendo aceptable aunque se deforme, como podría ocurrir en casos de uso real. Cuando se combinan en un conjunto MIMO, las antenas muestran un buen aislamiento y un rendimiento aceptable.

Referencia:

[1] S. Yan, P. J. Soh y G. A. E. Vandenbosch, "Dual-Band Textile MIMO Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 63, no. 11, p. 4640-4647, nov. 2015.