1. Introducción

El desarrollo de las telecomunicaciones ha sido vertiginoso en las últimas décadas, debido al diseño de una serie de sistemas con el fin de intercambiar información para la comunicación, el control de procesos, monitoreo de fenómenos físicos, entre otros [1, 2, 3]. Además, este desarrollo está acompañado por el aumento en la cantidad de abonados o usuarios de estos sistemas [4,5].

Actualmente, los sistemas de comunicaciones ofrecen más servicios y requieren mayores tasas de transmisión para el intercambio de información, como por ejemplo la telefonía móvil. Dicho intercambio debe ser lo más rápido posible, disponer de una conexión en tiempo real y brindar las mejores prestaciones de los servicios de la tecnología determinada [6].

Dentro los sistemas de mayor crecimiento, destacan los que emplean una transmisión inalámbrica o por el espacio libre [5], los cuales presentan un conjunto de retos para poder establecer una conexión, tales como, volumen de tráfico, costos, energía, diseño de elementos pasivos, interferencia mutua entre sistemas de comunicaciones o componentes de éste, entre otros. Estos retos deben tomarse en cuenta al momento del diseño del sistema [6, 7, 8].

Los sistemas de transmisión inalámbricos tienen un componente crucial que determina su rendimiento. Dicho componente es la antena, que es un dispositivo transductor que adecúa las señales de información al medio de propagación [9]. Actualmente, existen varios tipos de antenas y su utilización depende del rango de frecuencia de operación, tamaños, patrón de radiación, adaptabilidad a la aplicación, entre otros requerimientos [10, 11, 12].

Entre esa variedad de antenas, una que se adapta a los requerimientos de los sistemas de comunicación actuales es la antena de banda ultra ancha (Ultra WideBand, UWB), ya que con ella se obtienen altas velocidades de transmisión y gran capacidad del canal, además consumen poca potencia y presentan bajo costo [13, 14]. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes que radican en el riesgo de interferencia con los otros servicios de radio enlaces debido a que UWB opera en un rango amplio del espectro electromagnético, desde 3,1GHz a 10,6GHz[15].

Para el diseño de las antenas UWB se emplea principalmente la estructura de microcinta puesto que tiene un alto grado de adaptabilidad con los tipos de antenas que operan en el rango de frecuencia de microondas [16] como es el caso de las UWB. Con la utilización de microcinta se puede obtener tamaños más pequeños, bajos costos, alto rendimiento, fácil instalación y se integra con la placa de circuitos impresos (Printed Circuit Board, PCB) [17, 18, 19].

No obstante, los diseños realizados en microcinta presentan retos que radican en el comportamiento de sus componentes en el rango de la frecuencia de microondas. Dichos componentes deben modelarse como elementos distribuidos, no concentrados, debido a que sus tamaños son similares a la longitud de onda de operación. Además, pueden presentarse fenómenos físicos como la resonancia y efectos de acoplamiento entre componentes [18, 19].

Una manera de resolver el inconveniente en el diseño es utilizar técnicas computacionales para resolver las ecuaciones de Maxwell, las cuales explican el fenómeno de la propagación en las antenas [20, 21]. Entre los métodos computacionales numéricos para el diseño de los componentes del sistema están: el Método de Elementos Finitos (Finite Element Method, FEM); el Método de los Momentos (Method Of Moments, MoM); y el Método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (Finite-Difference Time-Domain method, FDTD) [22, 23].

Junto con el empleo de métodos computacionales numéricos para el diseño, se presentan métodos de optimización que permiten mejorar la respuesta o el comportamiento de las antenas diseñadas para ajustarse mejor a los requerimientos específicos de los sistemas [21]. Existen una gran variedad de métodos de optimización que son empleados en las distintas configuraciones de las antenas UWB para realizar su diseño.

Con las antenas UWB es posible rechazar bandas de frecuencias dentro del rango de operación, para así evitar interferencia con otros sistemas de comunicaciones que operen en este rango de frecuencia. Para ello, se emplean bandas marcadas (band notched) mediante la implementación de varias técnicas que modifican al elemento radiante del parche o al plano de referencia. Éstas presentan inconvenientes al momento de su diseño para obtener una alta eficiencia del rechazo de banda debido a la dificultad de control de su ancho de banda en un espacio limitado [24].

En este orden de ideas, el objetivo del presente artículo es caracterizar las antenas UWB para sistemas de comunicaciones en las bandas de microondas, en función de sus parámetros técnicos y estructurales, lo cual permitirá identificar aspectos relevantes en el empleo de las distintas configuraciones de antenas y sugerir temas para investigaciones futuras que contribuyan con el desarrollo de esta área. Para ello, se realiza una revisión documental de artículos de investigación originales, trabajos presentados en conferencias y simposios, entre otros.

El artículo está organizado de la manera siguiente: En la Sección 2 se especifican los parámetros estructurales, tales como las configuraciones de las antenas, las modificaciones de las estructuras convencionales y los métodos de optimización empleados en el diseño para mejorar el desempeño de las antenas. En la Sección 3 se caracterizan los parámetros técnicos como los métodos de alimentación, el ancho de banda, el patrón de radiación y la ganancia en las configuraciones de antenas UWB. En la Sección 4 se finaliza con las conclusiones de la caracterización y los planteamientos de trabajos futuros en esta área de investigación.

2. Antenas de banda ultra ancha

La banda ultra ancha fue establecida por la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos (Federal Communications Commission, FCC), en la cual se especificó tres tipos de sistemas UWB: radar para vehículos, sistemas de comunicaciones UWB y sistemas de imágenes, cuyo rango de frecuencia abarca desde 3,1 a 10,6 GHz [15], [23]. Una antena es considerada UWB cuando cumple con dos condiciones. La primera, es que el ancho de banda fraccional (FB) entre puntos a -10dB es mayor o igual que el 20 %, valor que se calcula mediante la Ecuación (1), donde f_H es la frecuencia mayor y f_L la frecuencia menor a -10dB. La segunda, es que el ancho de banda absoluto (B) (Ecuación (2)) es mayor o igual que 500MHz, independientemente de la frecuencia central [14], [25].

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2.1. Configuraciones de las antenas de banda ultra ancha

En esta revisión, se caracterizan las antenas de banda ultra ancha diseñadas en los últimos años para aplicaciones en sistemas de comunicaciones de la banda de microondas. En las configuraciones de las antenas se emplean la técnica de circuitos impresos, es decir, antenas planares. Esto es debido a las ventajas que ofrece dicha técnica, las cuales fueron descritas en el apartado anterior. Entre las configuraciones planares destacan: (ver Figura 1)

Figura 1
Configuraciones base de antenas de banda ultra ancha

• Antena monopolo con circulo impreso (Printed Circular Monopole Antenna, PCMA),

• Antena monopolo con hexágono impreso (Printed Hexagonal Monopole Antenna, PHMA),

• Antena monopolo con pentágono impreso (Printed Pentagonal Monopole Antenna, PPMA),

• Antena monopolo con rectángulo impreso (Printed Rectangular Monopole Antenna, PRMA), Antena monopolo con cuadrado impreso (Printed Square Monopole Antenna, PSMA),

• Antena monopolo con triángulo impreso (Printed Triangle Monopole Antenna, PTMA),

• Antena monopolo con cono impreso (Printed Tapered Monopole Antenna, PTaMA),

• Antena monopolo con trapecio impreso (Printed Trapezoidal Monopole Antenna, PTrMA),

• Antena Vivaldi.

En la Figura 2 se aprecia la cantidad de antenas diseñadas en función de su configuración, la tendencia en el diseño de las antenas ha sido la PRMA [19], [27]–[63], la PCMA [42, 43], [62]–[85], PSMA [86]–[97], la Vivaldi [98]–[106], la PTMA [107]–[110], la PHMA [110, 112, 113], la PTrMA [114, 115, 116], la PTaMA [117, 118], la PPMA [119, 120] y Otras [121]–[124], de manera descendente. Cabe destacar que la configuración denominada como Otras, agrupa la antena de lazo con estructura de Alford [121], ranurada cónica lineal [122], log-periódica [123] y ramal [124].

Figura 2
Número de antenas UWB diseñadas en función de su configuración

La configuración más utilizada es la PRMA, con una cantidad de casi el doble con respecto a la segunda más usada (PCMA). Cabe destacar que, no se evidenció ningún criterio de selección entre las configuraciones por parte de los autores. De esta manera, se observa que existe un campo abierto para establecer criterios de selección y caracterizar el rendimiento del resto de configuraciones de antenas planares empleadas en diversos servicios de comunicaciones.

La mayor parte de las configuraciones motivo de revisión se han diseñado en antenas simples. Sin embargo, también se han empleado agrupaciones en arreglos de 1x2 o 1x4 antenas en las configuraciones PRMA [37] y Vivaldi [101, 102, 105]. Adicionalmente, se ha usado la tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en las antenas PRMA [27, 31, 32], [38]–[41], [45, 47, 49, 52, 53, 54, 56, 57, 60, 63], PCMA [65, 70, 71, 73, 83], PSMA [87] y ramal [124]. El propósito de emplear los arreglos de antenas es modificar el patrón de radiación o aumentar la ganancia; en cambio el uso de la tecnología MIMO es para transmitir a mayores tasas de información y cubrir mayores distancias.

Las antenas planares están constituida por un material conductor y otro dieléctrico. El primero es generalmente de cobre, en cambio el segundo puede variar dependiendo del valor de permitividad eléctrica requerida por el diseñador de la antena. Para el sustrato, se han empleado el compuesto de FR4-epoxy en la mayoría de las antenas UWB diseñadas, debido a su alto valor de permitividad eléctrica que permite una mayor reducción de las dimensiones de la antena. También destacan, sustratos basados en teflón o PTFE (PoliTetraFluoroEtileno), que puede estar reforzado con fibra de vidrio y en algunos casos con cerámico orgánico, todo ello para disminuir las pérdidas en el dieléctrico. Cabe destacar el diseño de una antena de banda ultra ancha novedosa, en la cual se empleó poliéster punzado para el sustrato y acero inoxidable para el conductor, materiales flexibles para su uso en textiles [108].

2.2. Modificaciones en la estructura de las antenas de banda ultra ancha

La estructura de las configuraciones motivo de la revisión está constituida por las distintas formas del parche radiante y del plano de referencia, su modificación depende del propósito que se requiera. Para ello, se aplican técnicas para mejorar diversos parámetros del desempeño de la antena de banda ultra ancha. Entre las técnicas empleadas en la modificación en la estructura de las antenas UWB destacan: usar ranuras en los planos (Figura 3a), elementos parásitos (Figura 3b), estructura fractal (Figura 4a), superficie reflectora (Figura 4b), resonadores (Figura 5a), diodos PIN (Figura 5b) y arreglos de antenas (Figura 6). Las técnicas que modifican la estructura de la antena se realizan para distintos propósitos.

Figura 3
a) Antena UWB con ranuras en los planos [81] y b) de elementos parásitos [85]

Figura 4
a) Antena UWB con estructura fractales [112] y b) con superficie reflectora [75]

Figura 5
a) Antena UWB con resonadores [109] y b) con diodo PIN [76]

Figura 6
Arreglo de antenas UWB [102]

En la Tabla 1 se registran las finalidades de las modificaciones en las antenas y las técnicas empleadas. Para mejorar el acoplamiento de impedancia se agregan elementos parásitos en el plano de referencia con formas de T, Y, π, entre otras. Adicionalmente, se puede eliminar material conductor en el parche radiante o en el plano de referencia con diversas formas de ranuras, y aplicar estructuras fractales en el parche resonante. Al mejorar este parámetro, se consigue una máxima transferencia de potencia, por ende se disminuyen las pérdidas de retorno en el rango de frecuencia de resonancia.

Tabla 1

Finalidad de la modificación en la estructura de las antenas UWB

Las modificaciones que permiten un ajuste de la ganancia de la antena se realizan para obtener un mayor valor de ganancia o para mantener lo más uniforme posible dicho valor en el rango de frecuencia de diseño. En el primer caso, se logra mediante la agrupación en arreglos, la colocación de superficies reflectoras y el uso de ranuras en los planos de la antena, obteniendo un incremento máximo de 6 dB, 5,5 dB y 5 dB respectivamente [37, 51, 69, 75, 103, 105]. Mientras que en el segundo caso, se utilizan ranuras rectangulares en el parche resonante con una variación de ganancia entre 1,28 dB y 3 dB [33, 37, 88, 89]. Cuando se requiere modificar el patrón de radiación de omnidireccional a direccional, se emplea la técnica de los elementos parásitos en el plano de referencia, junto con diodos PIN que son controlados para seleccionar la zona de radiación de la antena dependiendo de su activación [76]; además, se utiliza una superficie reflectora ubicada detrás del plano de referencia [42] y agrupaciones de antenas cuyo patrón es omnidireccional[37]. Para la reducción del tamaño de la antena, adicional al tipo de material del sustrato, principalmente se usan ranuras y elementos parásitos con varias formas geométricas en ambos planos de antena, y en algunos casos estas ranuras están ordenadas bajo un comportamiento fractal. El porcentaje de reducción del tamaño registrado en las antenas UWB diseñadas comprende desde 18 % hasta 60 %, con la finalidad de obtener una antena compacta y portátil.

En cuanto a la adaptación de las bandas resonantes, abarca desde la eliminación con bandas marcadas hasta la inclusión de bandas resonantes para incrementar el ancho de banda de la antena UWB. Para ello, se emplean ranuras y elementos parásitos en forma de C [29, 43, 54, 60, 95], T [19, 41, 56, 57, 73, 79, 113, 124], U [27, 36, 37, 41, 55, 80, 88, 89] entre otras, colocadas en los planos. Las ranuras pueden ordenarse en estructuras fractales en el parche radiante y en el plano de referencia. Adicionalmente, en la antena se usa la técnica de agregar resonadores cercanos o dentro del parche resonante, para eliminar bandas resonantes mediante la degradación del desempeño de la antena en la banda marcada, es decir, que el elemento se comporta como un filtro rechaza banda. En el diseño de Rajeshkumar y Raghavan [114], se utilizó un diodo PIN en el resonador para controlar la habilitación de la banda marcada.

Las antenas UWB diseñadas con bandas marcadas rechazan, en su mayoría, un sistema. Aunque en algunos diseños, rechazan dos [47, 55, 56, 59, 90, 93, 96, 106], tres [29, 60, 113] o cuatro [64] sistemas de comunicaciones. En la Figura 7 se aprecia como el sistema WLAN a 5GHz (IEEE 802.11a) representa el servicio con mayor cantidad consideraciones como una banda marcada, seguida por el servicio de WiMAX (IEEE 802.16), la Banda X de subida y bajada utilizada para aplicaciones de comunicaciones satelitales, y otros servicios como el WLAN a 2,4GHz (IEEE 802.11b/g). Esto indica que actualmente existen servicios en los que se han utilizado poco las antenas UWB con bandas marcadas, por lo cual es necesario caracterizar estas antenas en dichos servicios.

Figura 7
Cantidad de antenas UWB con bandas marcadas en función del servicio que rechaza

2.3. Métodos de optimización empleados en las antenas de banda ultra ancha

Solo en el 17,48 % de antenas UWB revisadas se aplicaron métodos de optimización en su diseño, para obtener un mejor rendimiento. Los métodos empleados en los últimos años para la optimización de antenas son: el algoritmo genético (Genetic Algorithm, GA) [78, 86, 88, 89, 112], el enjambre de partículas (Particle Swarm Optimization, PSO) [46, 58, 95, 121], la optimización basada en sustituto (Surrogate– Based Optimization, SBO) [31, 32, 43, 45, 85, 115] y el diseño factorial fraccional (Fractional Factorial Design, FFD) [33, 36, 95]. Estos métodos se han empleado ya que no se cuenta con un modelo matemático que defina el parámetro a optimizar de la antena UWB, y para reducir los tiempos de respuesta óptima en comparaciones con métodos tradicionales o basados en gradiente.

El método FFD es un método probabilístico, basado en el análisis de varianza que tienen los datos simulados de algún parámetro de interés a optimizar, para así determinar la solución óptima. Por otra parte, los métodos GA, PSO y SBO son del tipo heurístico, y se fundamentan en la experiencia de los individuos, partículas o modelos sustitutos respectivamente, para resolver un problema de diseño. Los métodos heurísticos presentan variantes en su procedimiento debido a su naturaleza, estas variantes buscan disminuir el costo computacional y mejorar criterios de convergencias.

Las variantes del método GA usadas en el proceso de optimización de antenas son la evolución diferencial (Differential Evolution, DE) que presenta una buena robustez y una rápida convergencia [78, 86], y el algoritmo evolutivo de pareto (Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2, SPEA2) que incorpora una técnica de estimación de densidad de vecinos para guiar la búsqueda de manera eficiente [88, 89]. A su vez el método SBO presenta una variante, la cual se denomina optimización basada en característica (Feature-Based Optimization, FBO), el cual tiene una convergencia más rápida mediante la reformulación del problema original en función de sus características de respuesta [85].

Con respecto a los métodos PSO, se emplearon la Optimización de Enjambre de Partículas con Aprendizaje Integral Adaptativo (Adaptive Comprehensive Learning Particle Swarm Optimization, A– CLPSO) que equilibra el rendimiento de los modelos para la mejor partícula para los problemas multi- objetivos [58], el BPSO o PSO binario en donde se discretiza el espacio de solución y la partícula para que el método sea más rápido ya que decide entre los bits lógicos binarios [95], y la Optimización por enjambre de partículas con un despacho de vecindad (PSO with a Neighborhood–Redispatch, NR–PSO) que aplica una estrategia de búsqueda global para evitar convergencias prematuras de la solución del problema [46].

La función objetivo depende predominante del valor simulado de la pérdida de retorno [31, 32, 43, 45, 58, 58, 85, 86, 89, 95, 115, 121], la cual es utilizada para ajustar el ancho de banda de la antena. Otras funciones dependen de la ganancia [33, 36, 88], la relación de onda estacionaria [36, 46], el factor de fidelidad [33], la pérdida de error de fase [122] y el tamaño de la antena [31, 32, 45, 115].

La optimización se ha realizado con uno o múltiples objetivos; mientras mayor sea el número de objetivos mayor es el procesamiento computacional. Sin embargo, se ha demostrado que necesario utilizar funciones multi-objetivos para lograr un diseño idóneo, dado que al optimizar funciones mono- objetivo, se cumple el criterio del diseño, pero el dispositivo pudiera interferir con otro sistema o presentar inconvenientes en su desempeño.

Las variables del espacio de solución son discretas o continuas, dependiendo si el proceso es para una optimización topológica o de forma, respectivamente. Dichas variables son las dimensiones del parche radiante, de las ranuras y de los elementos parásitos en el parche resonante y en el plano de referencia.

3. Parámetros técnicos de las antenas de banda ultra ancha

En esta sección se analizan los parámetros técnicos de las antenas de banda ultra ancha, tales como el método de alimentación, el ancho de banda, el patrón de radiación y los valores de ganancia máxima obtenidas en las antenas planares motivo de revisión, con la finalidad de caracterizar el desempeño de las antenas.

3.1. Método de alimentación

Para las antenas planares se pueden usar distintos tipos de alimentadores: la línea de microcinta, la guía de onda coplanar (coplanar waveguide, CPW), la sonda coaxial y acople por proximidad. El método de línea de microcinta (Figura 8 (a)) presenta una mejor adaptación a la fabricación de circuitos impresos que el resto de métodos. El método CPW (Figura 8 (b)) proporciona mayor ancho de banda que la línea de microcinta [84] y baja pérdida en altas frecuencias [66], pero su valor de permitividad eléctrica efectiva es menor que con la línea de microcinta, tomando en cuenta un mismo material de sustrato. Cuando se usa la sonda coaxial (Figura 8 (c)), la fabricación de la antena es más costosa y se pueden radiar ondas electromagnéticas en direcciones no deseadas. De igual manera ocurre con el método de acople por proximidad (Figura 8 (d)), su fabricación no es fácil ni económica en comparación con el resto de métodos, pero elimina radiación no deseada.

Figura 8
Antena PSMA con distintos tipos de alimentador

La Figura 9 muestra como el alimentador del tipo de línea de microcinta fue utilizado en un 80 % con respecto al resto y fue empleada en todas las configuraciones de antenas UWB [19], [27]–[33], [35]–[43], [45, 47, 48, 50, 51, 52], [54]–[58], [60, 61, 63], [67, 70, 71], [73]–[76], [78, 79, 80], [82, 83], [85]–[88], [90]–[100], [102]–[115], [118, 119, 122, 124]. El método CPW fue usado en un 13 %, en las configuraciones PCMA, PPMA, PRMA, PTaMA y PTrMA [34, 46, 59, 64, 66, 72, 77, 81, 84, 116, 117, 120]; la sonda coaxial se aplicó en 5 % en las configuraciones PCMA, PRMA y Otras [44, 53, 62, 65, 121]; mientras que el acople de proximidad un 2 % en PRMA y Otras [42, 123]. La línea de microcinta ha sido la más usada porque las antenas son de fácil fabricación y permite mantener un valor de permitividad eléctrica eficiente alto, lo cual reduce el tamaño de la antena, a pesar de su moderado valor de pérdida.

Figura 9
Número de antenas UWB diseñadas según su tipo de alimentador

3.2. Ancho de banda

Los sistemas de banda ultra ancha abarcan desde 3,10 a 10,6 GHz, es decir, un ancho de banda igual a 7,5GHz. Sin embargo, en la Figura 10 se observa que las antenas UWB revisadas, en su mayoría no se limitan a este rango ya que dependen del ancho de banda de los servicios que se deseen captar, dando la posibilidad de agrupar dos o más sistemas de comunicaciones. La variación del ancho de banda para las configuraciones PCMA, PHMA, PPMA, PRMA, PSMA, PTMA, PTaMA, PTrMA, Vivaldi y Otras está entre 2,9–13,0 GHz, 3,2–14,7 GHz, 7,5–10,5 GHz, 2,0–14,9 GHz, 1,0–18,7 GHz, 6,0–9,0 GHz, 7,5–9,9 GHz, 3,1–7,5 GHz, 2,4–16,0 GHz, 2,0–19,0 GHz respectivamente.

Figura 10
Ancho de banda de las configuraciones de antena UWB

Las antenas UWB diseñadas abarcan más servicios que las aplicaciones típicas, es decir, sistemas de comunicaciones UWB, radares para vehículos y sistemas de imágenes. La lista de servicios distintos a los típicos está registrada en la Tabla 2, en la cual se mencionan en función de la configuración de las antenas. Dichos servicios son los sistemas de comunicaciones móviles (CDMA, UMTS, PCS, GSM y LTE), redes inteligentes, redes inalámbricas para internet (WPAN, WBAN, WLAN y WiMAX), sistemas de posicionamiento global (GPS), sistemas satelitales y aplicaciones militares. Las configuraciones PCMA y PRMA tienen mayores cantidades de servicios cubiertos.

Tabla 2

Rango de frecuencia y aplicaciones de las configuraciones de antenas UWB

Adicionalmente, en la Tabla 2 está el rango de frecuencia para las configuraciones de antenas UWB, el cual abarca parte de la banda de frecuencia UHF y las bandas de microondas desde la L hasta la K. De esta manera, dichas antenas operan en un rango mayor al establecido para los sistemas UWB, en todas sus configuraciones.

3.3. Patrón de radiación

La radiación de las antenas en función de las diversas direcciones en el espacio puede ser omnidireccional o direccional. En la primera, se presenta simetría de revolución en torno al eje, mientras que en la segunda, las antenas son capaces de concentrar la mayor parte de la energía radiada de manera localizada. En algunos casos, el patrón de radiación omnidireccional no presenta un comportamiento simétrico en todas las direcciones, dando origen al patrón cuasi-omnidireccional o cercano al omnidireccional. De las antenas UWB que son motivo de la revisión, un 50 % son omnidireccionales [19, 28, 30, 33, 34], [42, 43, 46, 48, 50], [55, 59], [61], [72, 77, 79], [82, 90], [93, 94, 96, 97], [109], [113, 114, 117, 118, 120, 121]; un 33 % son cuasi–omnidireccionales [27, 35], [37, 38,39], [41, 44, 47, 49], [52, 53, 56, 57, 58, 60], [63]–[68], [70], [73]–[76],[78, 80, 81, 83, 84, 84, 88, 91, 92], [107, 108, 110, 112, 116, 119], [123, 124], y un 17 % son direccionales [37,42, 51, 69, 76, 98, 99, 100], [102]–[116], [111, 122], tal como se observa en la Figura 11.

Figura 11
Número de antenas UWB diseñadas según su patrón de radiación

Las configuraciones que presentan un patrón completo o cercano al omnidireccional son la PCMA, PHMA, PPMA, PRMA, PSMA, PTMA, PTaMA, PTrMA y Otras. En los casos de cuasi- omnidireccionales, se debe mejorar el comportamiento mediante el empleo de métodos de optimización para adecuar las modificaciones de la estructura de la antena y evitar esas distorsiones en el patrón de radiación. Con respecto a la radiación direccional, se presenta en configuraciones como Vivaldi, PCMA, PHMA, PRMA y Otras. Galvan et al [23] establece que las antenas Vivaldi en frecuencias menores a 5 GHz tienen un patrón cuasi-omnidireccional. Sin embargo, se ha logrado un patrón direccional en dichas frecuencias [98]–[106]. En el resto de los casos con patrón direccional, esto se consigue agregando superficies reflectoras, elementos parásitos y diodos PIN, o agrupando en arreglos de antenas para transformar el patrón de omnidireccional a direccional.

3.4. Ganancia

La ganancia es una relación entre la concentración de la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación y la densidad de potencia de una antena isotrópica. La Figura 12 muestra los valores de ganancia máxima para cada configuración de antena UWB revisada. En dicha figura se detecta que la configuración con mayor valor de ganancia máxima es la Vivaldi, que presentan un patrón de radiación direccional con una mayor concentración de potencia. Además, las antenas Vivaldi diseñadas superaron su valor típico de 10 dBi. Para el resto de configuraciones, su valor de ganancia se mantiene en niveles similares.

Figura 12
Ganancia máxima de las configuraciones de antena UWB

Los rangos de ganancia máxima y valores promedios para las configuraciones de antena UWB se registran en la Tabla 3, en donde se observa que la configuración PSMA presenta menor valor promedio de ganancia máxima obtenida con respecto al resto de antenas UWB. Por consiguiente, se pueden diseñar antenas PSMA para mejorar su desempeño en términos de la ganancia que ofrecen. Adicionalmente, se aprecia un amplio rango de valores para las antenas UWB PRMA, en las cuales se pueden aplicar métodos de optimización para uniformizar su ganancia máxima.

Tabla 3

Valores de ganancia máxima para las configuraciones de antenas UWB

4. Conclusiones y perspectivas futuras

Con respecto a las configuraciones de las antenas UWB planares, la PRMA ha sido la más empleada con su estructura convencional o modificada. Las modificaciones se realizan aplicando una o varias técnicas para algún objetivo en específico, como mejorar el acoplamiento de impedancias, ajustar la ganancia, cambiar el patrón de radiación, entre otros. Dentro de las técnicas, se destacaron el uso de ranuras y elementos parásitos en los planos de la antena para diferentes fines, y el empleo de diodos PIN para controlar el comportamiento de las antenas.

En la revisión se tomaron en cuenta diferentes configuraciones de antenas planares UWB, las cuales han sido usadas en rangos de frecuencias similares, es decir, para las mismas aplicaciones. En todas ellas no se detectó ningún criterio de selección entre configuraciones. Por consiguiente, las perspectivas futuras estarán orientadas en establecer dichos criterios mediante la comparación del desempeño de las configuraciones para cada aplicación. Así mismo, optimizar las antenas UWB del tipo monopolares con distintos métodos para evitar que el patrón de radiación sea cuasi-omnidireccional. Adicionalmente, optimizar cada una de las configuraciones de antenas para disminuir la variación de la ganancia, y aumentar el valor de la ganancia en las antenas del tipo PSMA.

Entre otras perspectivas se plantean, la clasificación del rendimiento de cada configuración de las antenas UWB y los métodos de alimentación en los distintos servicios de comunicaciones inalámbricas. Además, diseñar mayor cantidad de antenas UWB que abarquen más sistemas de comunicaciones en la banda UHF y evaluar el desempeño de las bandas marcadas en servicios que aún no han sido tan explorados, por ejemplo WLAN 2,4GHz, radares, LTE, GPS, entre otros.

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Notas

Notas de autor

acontreras@fing.luz.edu.ve

Enlace alternativo

http://servicio.bc.uc.edu.ve/ingenieria/revista/v25n2/art02.pdf (pdf)