Introducción
La demanda de conectividad es cada vez mayor a medida que se añaden funciones de red a los dispositivos que se utilizan en los hogares y sus alrededores. Para mantener las distintas conexiones, sobre todo en entornos en los que puede haber obstáculos que bloqueen la señal a través de los enlaces de comunicación, resulta útil disponer de capacidades de formación de haces en los equipos de red para dirigir la trayectoria de la señal hacia una con mejor conectividad. Aquí se explora un dispositivo de tipo altavoz inteligente de fidelidad inalámbrica para redes domésticas con el fin de demostrar cómo se pueden utilizar diferentes combinaciones de antenas dispuestas en múltiples frecuencias para dirigir los patrones de haz y mantener la mejor ruta de señal. El router WiFi MU-MIMO explorado hará uso de arrays en el rango de 2,4 y 5 GHz típico de la mayoría de dispositivos 802.11a/b/g/n/ac y también añadirá cobertura de 6 a 7 GHz para 802.11ax y la banda WiFi 6E.
Diseño y simulación de dispositivos
El ejemplo genérico de router WiFi que aquí se analiza utiliza una combinación de cuatro antenas de 5 GHz dispuestas en forma circular y dos elementos de doble frecuencia de 2,4/6-7 GHz. Las antenas están encerradas en una carcasa de altavoz inteligente que tendría otras placas de circuito y piezas de altavoz que aquí se simplifican a unos pocos componentes. El diseño básico del dispositivo se muestra en la Figura 1 y mide aproximadamente 100 mm de alto y 50 mm de radio. En la Figura 2, las partes exteriores del dispositivo se retiran para mostrar los elementos del conjunto de antenas en el interior. Hay cuatro antenas dipolo planas sintonizadas para 5 GHz (mostradas en la Figura 3) que están dispuestas de forma circular con un radio de 30 mm. Además, hay dos antenas similares sintonizadas para uso en doble frecuencia a 2,4 y 6-7 GHz que están giradas 45 grados sobre el eje central del conjunto de 5 GHz para reducir el bloqueo. El conjunto de dos elementos está separado 60,5 mm. En la figura 4 se muestra que la pérdida de retorno de los dos elementos del conjunto de 2,4/6-7 GHz es inferior a -10 dB en las frecuencias de interés. Del mismo modo, la pérdida de retorno de cada uno de los elementos de 5 GHz se muestra en la Figura 5 y, de nuevo, es inferior a -15 dB a 5 GHz.
Figura 1: Se muestra una vista tridimensional de un dispositivo router WiFi genérico con los conjuntos de antenas internas parcialmente visibles a través de la cubierta.
Figura 2: Los conjuntos de antenas internas del router WiFi se muestran con las piezas de recubrimiento retiradas.
Figura 3: Vista más cercana de una de las antenas de 5 GHz. Las antenas de 2,4/6-7 GHz tienen un diseño similar.
Figura 4: La pérdida de retorno de los elementos de antena de 2,4/6-7 GHz muestra valores inferiores a -10 dB en las bandas de frecuencia deseadas.
Figura 5: La pérdida de retorno de los elementos de antena de 5 GHz muestra valores inferiores a -15 dB a la frecuencia deseada.
En el espacio libre, cada uno de los elementos de la antena crea un patrón esférico típico de una antena dipolo. Sin embargo, en el entorno del router WiFi con elementos adyacentes, placas de circuitos conductoras y otras piezas cercanas, los patrones cambian significativamente. Para el elemento de 2,4 GHz, en la figura 6 se muestra un diagrama típico en el que hay dos lóbulos principales que irradian desde los extremos largos de la antena rectangular. La cobertura de los dos elementos actuando independientemente se muestra en la Figura 7, donde aparecen los cuatro lóbulos. Para los elementos de 5 GHz, el diagrama creado por un solo elemento es un único lóbulo que apunta normalmente fuera de la cara plana grande de la antena, como se muestra en la figura 8. Los cuatro elementos del conjunto producen cuatro lóbulos independientes que cubren cada uno de los cuadrantes que rodean el dispositivo, como se muestra en la figura 9.
Figura 6: Vista superior del diagrama tridimensional de un elemento del conjunto de antenas de 2,4 GHz. El diagrama tiene dos lóbulos centrados en el plano horizontal.
Figura 7: Vista tridimensional de los patrones de ganancia de ambos elementos del array de 2,4 GHz.
Figura 8: Una vista superior del diagrama de ganancia tridimensional de uno de los elementos del array de 5 GHz muestra un único haz que irradia normalmente hacia el elemento del array.
Figura 9: Se muestran los cuatro patrones de ganancia individuales para los elementos del conjunto de 5 GHz.
Utilizando las funciones de optimización de ar rays del software de simulación EM 3D XFdtd, se puede determinar el rendimiento de los arrays para encontrar la máxima cobertura posible. Para los fines de este router WiFi, el objetivo principal es tener una buena cobertura en el plano horizontal que rodea el dispositivo, y los siguientes análisis se centran en la optimización en ese plano. Para el array de 2,4 GHz de dos elementos, la cobertura máxima posible, o EIRP máxima, en el plano horizontal se muestra en la Figura 10 y puede verse que es circular alrededor del dispositivo. En la figura 11 se muestra un diagrama polar bidimensional del diagrama en el plano horizontal y se obtiene una ganancia bastante uniforme en los 360 grados que rodean el dispositivo. A 5 GHz, los cuatro elementos pueden utilizarse todos juntos o en diferentes grupos de dos o tres. La figura 12 muestra la máxima p.i.r.e. para los cuatro elementos actuando juntos como un array, y el patrón cubre los 360 grados que rodean el plano horizontal del router. En la Figura 13, un diagrama polar muestra los cuatro patrones posibles cuando se utilizan dos elementos adyacentes juntos, y estos se muestran para producir haces más enfocados que cubren alrededor de una región de 90 grados alrededor del dispositivo. Uno de los haces posibles utilizando dos elementos adyacentes del array de 5 GHz se muestra en la Figura 14, que muestra un haz bastante estrecho que apunta a unos 105 grados en el plano XY. El patrón EIRP máximo a 6 GHz (Figura 15) está más inclinado fuera del plano horizontal, pero sigue produciendo suficiente ganancia en todos los ángulos alrededor del plano horizontal del router, como se muestra en la Figura 16.
Figura 10: El diagrama EIRP máximo en el plano horizontal para el conjunto de antenas de 2,4 GHz muestra una cobertura casi uniforme alrededor del router WiFi.
Figura 11: Un diagrama polar de la PIRE máxima en el plano horizontal muestra una ganancia de unos 4 dBi en todas las direcciones.
Figura 12: Se muestra el diagrama de máxima p.i.r.e. de los cuatro elementos del array de 5 GHz para la dirección horizontal.
Figura 13: Diagramas polares de la p.i.r.e. máxima para conjuntos de dos elementos utilizando antenas adyacentes a 5 GHz. Cada conjunto de dos elementos proporciona una buena cobertura en un cuadrante de la región que rodea el dispositivo.
Figura 14: Se muestra un patrón de haz para uno de los conjuntos de dos elementos de 5 GHz con un patrón que enfoca un haz a unos 105 grados.
Figura 15: El diagrama de máxima PIRE para los dos elementos de 6-7 GHz a 6 GHz muestra haces inclinados sobre el eje horizontal, pero aún es posible obtener una ganancia positiva alrededor del dispositivo.
Figura 16: Un diagrama polar de la máxima p.i.r.e. a 6 GHz para el conjunto de dos elementos muestra que, en el plano horizontal, es posible obtener una ganancia de entre 1 y 3 dBi.
Figura 17: Gráfico de la CDF de la p.i.r.e. para varias configuraciones del conjunto.
Al crear una función de distribución acumulativa de la p.i.r .e., es posible calcular la cobertura máxima en toda la esfera tridimensional que rodea al dispositivo. En la figura 17, el gráfico de la CDF de la p.i.r.e. muestra que, para todas las relaciones de fase posibles de los elementos del conjunto de 2,4 GHz, es posible obtener una ganancia positiva en casi el 78% de las direcciones. A 5 GHz, la combinación de dos elementos adyacentes da un diagrama CDF con más del 60% de cobertura, mientras que con los cuatro elementos, más del 83% de las direcciones tienen ganancia positiva. Por último, con los dos elementos de 6-7 GHz, cerca del 75% de las direcciones pueden tener ganancia positiva.
Conclusión
El análisis del array utilizando las herramientas de XFdtd ha demostrado que este dispositivo router WiFi es capaz de producir una buena ganancia en toda la gama de ángulos deseados con haces enfocados posibles para rastrear objetivos en movimiento y encontrar mejores trayectorias en un entorno dinámico.
