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w
as carried out. The designs
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om 5150 to 5850 M
H
z. Both systems
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s
s
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r
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r
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banda
s
de
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ecuencia
s
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de 2400 a 2500
MH
z y ot
r
a de 5150 a 5850
MH
z.
A
mbo
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s
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eña
r
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s
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b
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la base de la misma tecnología, con una geomet
r
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s
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r
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r
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r
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r
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s
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s
tema de alimen-
tación
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s
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s
ión coaxial
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pé
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d
e
las antenas.
P
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r
a la modelación computacional de la
s
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s
s
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S
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Mic
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.
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s
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r
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s
en una cámara
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r
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r
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s
taciona
r
ia, la ganancia y la
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s
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s
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point,
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s
.
Antena
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s
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2022
,
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66
-
75
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7
4x4 metal patch
r
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r
s
w
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r
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f
eeding system
w
as built on a
rectangular coaxial t
r
ansmission line
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dielect
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and improve eficiency o
f
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r
the computational modeling of the
antennas, the CST Mic
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manufactured antennas
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a good correspondence
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F
inally, the
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f
the t
w
o antennas coupled to an access points
w
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r
e carried
out, yielding good
r
esults.
cos de exte
r
i
o
res, haciendo el diagnóstico y
s
ustitución
de las ta
r
jeta
s
electrónicas averiadas. En una segunda
etapa se p
r
evé adquirir las tarjetas y fabricar los
A
P, pa
r
a
ello es necesa
r
io realizar el diseño de las antenas y chasis
I
n
t
r
odu
cc
i
ón
Los sistemas disc
r
etos de antenas
(
conocido
s
Las tecnologías de comunicaciones inalámb
r
icasigualmente como a
rr
eglos de antenas
)
consisten en
han c
r
ecido
r
ápidamente en los últimos años, fundamen
-
un conjunto de elementos
r
adiantes
(
o antena
s
) cu-
talmente con la creciente aceptación y uso de los p
r
oduc
-
yos campos se supe
r
ponen de
f
o
r
ma cohe
r
ente en la
tos inalámb
r
icos como son los routers, teléfonos celula
-
zona lejana. Los
r
adiado
r
es, unidos a su p
r
o
p
ia red
r
es y laptops. En C
OP
E
X
TEL, la
D
ivisión Come
r
cial
de alimentación, constituyen los p
r
incipales elemen-
TV
S
(
Telecomunicaciones,
V
ideos y
S
istemas
)
tiene en
-
tos que componen los sistemas disc
r
etos de antena
s
.
t
r
e sus líneas fundamentales de trabajo las aplicaciones
Sus ca
r
acte
r
ísticas son dete
r
minadas po
r
la po
s
ición
con tecnología Wi
F
i. La importación de Access Point
geomét
r
ica de los
r
adiado
r
es y la amplitud y
f
ase de
s
u
(
A
P)
pa
r
a exteriores es costosa por lo que es necesa
r
io
excitación
(
Balanis, 2016; Mailloux, 2005; Lo & Lee,
busca
r
va
r
iantes para disminuir los precios de adquisi
-
1993; Má
r
kov & Sazónov, 1978
)
.
ción de estos equipos y con ello aumentar la masividad
de impo
r
taciones es la reparación de equipos inalámb
r
i
-
de su empleo en el país.
U
na variante para la sustitución
M
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s
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s
Las especi
f
icaciones de diseño de un sistema di
s
-
c
r
eto de antenas, gene
r
almente están dete
r
mina
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a
s
por
las ca
r
acte
r
ísticas gene
r
ales del sistema de
r
adio que la
emplea
r
á, ya sea un
r
ada
r
, satélite, sistema de comuni-
caciones, ent
r
e ot
r
os.
pa
r
a log
r
a
r
su fabricación en Cuba.
El análisis d
e
tallado de las exigencias eléctr
i
ca
s
Las antenas que se emplean en las tecnologías
cond
u
ce a la elección de los
p
r
incipales componente
s
Wi
F
i pueden ser, en función del servicio, omnidi
r
ec
-
que
f
o
r
man el sistema disc
r
eto de antenas, t
r
atando
cionales, sectoriales o direccionales (Che
n
, 2016
)
,
siemp
r
e de ga
r
antiza
r
la mejo
r
r
elación ent
r
e el co
s
to
((
Mehmood &
Y
un, 2013). Este trabajo tiene como
y la obtención de las ca
r
acte
r
ísticas deseadas. En e
s
te
objetivo el di
s
eño y fabricación de dos ante
n
as di
r
ec
-
caso las exigencias eléct
r
icas son:
cionales con tecnología propia para las dos bandas de
Banda de
fr
ecuencias: 5150 a 5850 M
H
z.
fr
ecuencias Wi
F
i usadas en Cuba.
R
O
E
(
Razón de
O
nda Estaciona
r
ia
)
: po
r
de
b
ajo de
Gene
r
almente, para las antenas direccionales1.8 en toda la banda de
fr
ecuencias.
Wi
F
i se emplean antenas de re
f
lector parabólico o
G
anancia: 18 dB.
sistemas disc
r
etos de antenas (antenas planas
)
. En esta
Á
ngulo de
r
adiación en el plano ho
r
izontal: menor
investigación se escogieron los sistemas di
s
c
r
etos dede 23º.
antenas debido a que presentan menor per
f
il que las
Á
ngulo de
r
adiación en el plano ve
r
tical: meno
r
de 23º.
pa
r
abólicas y, por ende, es más fácil su integ
r
ación enPola
r
ización lineal
(
ho
r
izontal y ve
r
tical
)
.
el sistema.
I
mpedancia de ent
r
ada de 50 Ω.
I
SS
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,
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la in
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luencia del acoplamien-
to elect
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omagnético ent
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e
s
del
s
i
s
tema
s
e
r
ecomienda aumenta
r
s
u
s
epa
r
ación
(
Chen,
2016
)
. La
s
elección dedebe cumpli
r
el cri-
te
r
io de unicidad del lóbulo p
r
incipal que
s
e plantea
en la ecuación 6.
P
o
r
ot
r
a pa
r
te, a medida que au-
menta
N
s
e complejiza el
s
i
s
tema; no ob
s
tante, e
s
r
ecomendable en la
s
di
s
t
r
ibucione
s
de amplitud y
f
a
s
e uni
f
o
r
me, el empleo de una
N
potencia de do
s
,
pue
s
f
acilita el di
s
eño del di
s
t
r
ibuido
r
de potencia
s
(
Roja
s
, 2008
)
.
Teniendo en cuenta lo ante
r
io
r
,
s
e e
s
cogió una
N
=4 y una=0.6.
Con laobtenida ante
r
io
r
mente
s
e dete
r
mi-
na el ángulo de
r
adiación a pa
r
ti
r
de la ecuación 7 y
s
e comp
r
ueba que p
r
e
s
enta un valo
r
meno
r
o igual al
de la
s
exigencia
s
iniciale
s
.
Una cuestión muy importante en el diseño de los
s
istemas disc
r
etos de antenas es la elección de la geo
-
met
r
ía, que dete
r
mina la disposición de los elementos
en la abe
r
tu
r
a. A partir de las exigencias eléctricas, te
-
niendo en cuenta que el ángulo de radiación es el mis
-
mo en ambos planos y que el nivel de ganancia desea
-
do se obtiene con pocos elementos, se decidió realiza
r
un sistema disc
r
eto de antenas bidimensional con una
geomet
r
ía
r
ectangular con la misma cantidad de ele
-
mentos y sepa
r
ación.
Como no hay exigencias de nivel de lóbul
o
s late
-
ganancia y la dirección de máxima radiación pe
r
pen
-
dicula
r
al eje de la antena respectivamente (Márkov &
Sazónov, 1978
)
.
A pa
r
ti
r
de la geometría escogida (abertura
r
ectan
-
gula
r)
se dete
r
mina la cantidad de elementos (
N)
que
debe p
r
esenta
r
en cada plano y su separación eléct
r
ica.
Pa
r
a ello es necesario tener en cuenta el ángulo de
r
a
-
diación en los d
o
s planos fundamentales o la ganancia
y dete
r
mina
r
el área efectiva (Balanis, 2016) de la an
-
r
ales, se escogió una distribución de amplitud y
f
ase
(
5
)
uni
f
o
r
me, que garantizan la obtención de una mayo
r
(
6
)
tena
(
Ae
f)
según las expresiones:
(
7
)
longitud eléctrica
()
de 2.24.
P
a
r
a una=2.24 el ángulo de
r
adiación e
s
de
(1)
22.7º, in
f
e
r
io
r
a lo
s
23º exigido
s
.
(2)
Lo
s
análi
s
i
s
ante
r
io
r
e
s
f
o
r
man pa
r
te del di
s
eño
g
r
ue
s
o del
s
i
s
tema di
s
c
r
eto de antena
s
. En el di
s
eño
P
ara una ganancia de 18 dB se necesita un
A
e
f
f
ino
s
e
r
ealiza el análi
s
i
s
elect
r
omagnético en el pro-
de 14922 mm
2
. Como el sistema disc
r
eto es el mi
s-
g
r
ama p
r
o
f
e
s
ional C
S
T
M
ic
r
o
w
ave
S
tudio, donde la
mo en ambo
s
planos, la longitud
f
ísica
(
L
)
s
e
s
epa
r
ación ent
r
e elemento
s
y, po
r
tanto, la longitud
determina mediante la ecuación 3, obteniénd
os
e unatotal del
s
i
s
tema,
s
e aju
s
tan
s
iemp
r
e que el valo
r
s
ea
L=122.15 mm, que según la ecuación 4, pa
r
a la
fr
e
-
mayo
r
que el calculado pa
r
a que la ganancia del
cuencia central=5500 MHz, co
rr
esponde a una
s
i
s
tema no
s
ea meno
r
de 18 dB.
Elección y diseño del ele
m
en
t
o radiador
En p
r
incipio toda antena, simple o compleja,
(
3)
pequeña o g
r
ande, puede
f
o
r
ma
r
pa
r
te de un sistema
(4)disc
r
eto. Sin emba
r
go, en la p
r
áctica, se emplean con
mayo
r
fr
ecuencia las siguientes
(
Rojas, 2008; Balani
s
,
De acuerdo con la longitud eléct
r
ica mínima
1996;
H
ansen, 2009; Pé
r
ez, 2001
)
:
q
u
e debe tener el sistema disc
r
eto se dete
r
mina la
D
ipolos
cantidad de elementos y su sepa
r
ación, mediante la
Y
agi
ecuación 5.
M
ient
r
as mayo
r
es el valo
r
de
N
, me
-
G
uías de ondas abie
r
tas en un ext
r
emo
n
o
r e
s
la
s
eparación pa
r
a una misma longitud, pe
r
o
Ranu
r
as
M
Sc
.
P
il
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r Pr
a
d
o
G
u
ill
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t,
D
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C
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L
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d
o
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n
CST M
i
c
r
o
w
a
v
e
S
t
ud
i
o
p
r
esenta pequeño peso, bajo per
f
il, fácil reproducibili
-
dad, bajo costo de producción y se logra una est
r
uctu
r
a
compacta y
f
uerte. Como el ancho de ban
d
a
r
elativo
es pequeño puede cubrirlo con facilidad, sin necesidad
de técnicas para aumentarlo.
A
demás, pre
s
enta una
pola
r
ización lineal (horizontal o vertical en f
u
nción de
su o
r
ientació
n
).
El pa
r
che metálico, como elemento radiado
r
del
sistema disc
r
eto de antenas, presenta como va
r
iables
f
undamentales:
W: Ancho del parche cuadrado.
H: Altu
r
a entre el parche y el re
f
lector.
L
r
: Dime
n
sión del re
f
lector en el plano ve
r
tical.
W
r
: Dimensión del re
f
lector en el plano ho
r
izontal.
La
s
variables ante
r
io
r
es
f
o
r
man pa
r
te del di
s
e
-
ño del parche metálico. El diseño inicial pa
r
te de
Radiado
r
es impresos (ranuras, dipolos y di
f
e
r
en
-
P
a
r
a aju
s
ta
r
el di
s
eño a la tecnología di
s
ponible,
tes tipos de parches, etc.)
s
e emplean valo
r
e
s
de
H
que co
rr
e
s
pondan al largo
P
a
r
a la elección del tipo de radiador se deben tene
r
de
s
epa
r
ado
r
e
s
e
s
tánda
r
e
s
que ga
r
antizan la
s
ujeción
en cuenta un grupo de factores dentro de los cuales los
mecánica del pa
r
che y el
r
e
f
lecto
r
. E
s
to
s
s
epa
r
adore
s
más impo
r
ta
n
tes son (Lo & Lee, 1993), (Rojas, 2008
)
:
s
e ubican ce
r
cano
s
al cent
r
o del pa
r
che, do
n
de
s
u
Diag
r
ama direccional
co
rr
iente e
s
p
r
ácticamente ce
r
o, pa
r
a que no afecte
Di
r
ectividad o ganancia
el acoplamiento elect
r
omagnético en el
r
adia
d
or; no
I
mpedancia de entrada
ob
s
tante,
s
e incluyen en el análi
s
i
s
elect
r
omagnéti-
P
ola
r
ización
co del di
s
eño
f
inal optimizado y
s
e emplea también
Ancho de banda
como va
r
iable de aju
s
te la
s
dimen
s
ione
s
del parche.
Acoplamiento electromagnético
La
s
dimen
s
ione
s
del
r
e
f
lecto
r
s
e
s
elecciona
r
on iguale
s
E
f
iciencia de radiación
a la
s
epa
r
ación ent
r
e
r
adiado
r
e
s
pa
r
a log
r
ar una
Tamaño
e
s
t
r
uctu
r
a única del a
rr
eglo.
S
encillez constructiva y facilidad de reproducción
A
pa
r
ti
r
del análi
s
i
s
elect
r
omagnético
r
ealizado
Robustez mecánica
s
e obtuvie
r
on lo
s
s
iguiente
s
valo
r
e
s
de la
s
va
r
iable
s
Costo
del pa
r
che metálico:
P
a
r
a las
f
recuencias Wi
F
i es común el empleo de
W=22 mm
antenas con tecnología impresa, pero se necesita
r
ían
H
=4 mm
sust
r
atos de
b
ajas pérdidas para garantizar una alta e
f
i
-
L
r
=32 mm
ciencia, lo que encarecería la solución. Te
n
iendo en
W
r
=32 mm
cuenta los aspectos anteriores se seleccionó como
r
a
-
En la
f
igu
r
a 1 se muest
r
a el pa
r
che metálico di
s
eña-
diado
r
el pa
r
che metálico con dieléctrico ai
r
e, el cual
do en el CST Mic
r
o
w
ave Studio.
la determinación del ancho del pa
r
che a pa
r
ti
r
de la
D
i
s
e
ño
d
e
l
s
i
st
e
m
a
d
e
ali
m
e
n
t
a
c
i
ón
longitud de onda pa
r
a la
fr
ecuencia cent
r
al mediante
Pa
r
a el diseño del sistema de alimentación se em-
el criterio W≈
(
Chen, 2016
)
. E
s
te valo
r
pleó una línea de t
r
ansmisión de tipo coaxial
r
ectangu-
puede
s
ufrir lige
r
os cambios en el diseño
f
inal opti
-
la
r
con
dieléct
r
ico
ai
r
e
de
6
mm
de
altu
r
a
y
un
e
s
pe
s
or
mizado donde se emplea el C
S
T Mic
r
owave
S
tudio.
de la cinta de 1 mm. Como diviso
r
es se utiliza
r
o
n
unio-
La altura e
n
t
r
e el pa
r
che y el
r
e
f
lecto
r
se utiliza
nes
T
y
pa
r
a
ga
r
antiza
r
la
altu
r
a
de
la
cinta
se
emplea-
como variable de ajuste pa
r
a la obtención del ancho
r
on piezas de te
f
lón.
U
na de las ca
r
as de la tierra del
de banda de
s
eado. Esta va
r
iable es un elemento de
-
dist
r
ibuido
r
de potencias coincide con el
r
e
f
lector del
terminante en el p
r
oceso tecnológico, ya que puede
sistema
de
r
adiación,
obteniéndose
una
est
r
uctura
má
s
complejizar la
f
ab
r
icación del pa
r
che.
compacta y bajo pe
r
f
il.
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G
A
C I
Ó
N
7
0
En la
f
igu
r
a 2 se puede observar el diseño del dis
-
t
r
ibuido
r
de potencias de 1 en 16.
R
e
s
u
l
t
a
do
s
y
d
i
sc
u
s
i
ón
Diseñado los sistemas de radiación y alimenta
-
ción se
r
ealiza el análisis electromagnético en el CST
Mic
r
owave
S
tudio del sistema discreto de antenas de
4x4 elementos que se muestra en la
f
igura 3.
En la
f
igu
r
a
4
se muestra la curva de la ROE ―
Razón de Onda Estacionaria― simulada del sistema dis
-
creto de antenas
(
distribuidor de potencias y radia
d
o
r
es
)
,
obteniéndose un
v
alor por debajo de 1.8 en toda la banda
de
fr
ecuencias como indican las exigencias iniciales.
F
i
g
u
r
a
.
4
.
R
a
z
ó
n
d
e
o
nd
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s
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sc
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o
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n
t
e
n
a
s
d
e
5
G
H
Z
En la
f
igu
r
a 5 se muest
r
an las ca
r
acte
r
ísticas de
ganancia, en coo
r
denadas
r
ectangula
r
es, simulado
s
pa
r
a la
fr
ecuencia cent
r
al y los ext
r
emos de la banda
de t
r
abajo en ambos planos de pola
r
ización. En lo
s
t
r
es casos se obtienen ángulos de
r
adiación meno-
r
es de 23º e iguales en ambos planos de pola
r
ización
pa
r
a la misma
fr
ecuencia con ganancias supe
r
iore
s
F
i
g
u
r
a
.
2
.
D
i
s
t
r
i
bu
i
d
o
r
d
e
p
o
t
e
n
c
i
a
s
a 18 dB.
D
i
s
e
ño
d
e
l
s
i
st
e
m
a
d
e
2
.
4
G
H
z
D
espués de comp
r
obado el p
r
ocedimiento
r
ealiza-
do pa
r
a el diseño del sistema disc
r
eto en la banda de
5150 a 5850 M
H
z, se
r
ealiza de igual mane
r
a el diseño
de un sistema disc
r
eto de antenas con ca
r
acte
r
ística
s
simila
r
es pa
r
a la banda de 2.4
GH
z, que p
r
esenta la
s
siguientes exigencias:
Banda de
fr
ecuencia: 2400 a 2500 M
H
z.
Razón de
O
nda Estaciona
r
ia
(
R
O
E
)
: po
r
debajo de
1.5 en toda la banda de
fr
ecuencias.
G
anancia: 16 dB.
Á
ngulo de
r
adiación en el plano ho
r
izontal: menor
de 23º.
Á
ngulo de
r
adiación en el plano ve
r
tical: menor
de 23º.
Pola
r
ización lineal
(
ho
r
izontal y ve
r
tical
)
.
I
mpedancia de ent
r
ada de 50 Ω.
Como la
s
ca
r
acte
r
í
s
tica
s
eléct
r
ica
s
de e
s
ta a
n
te-
na
s
on
s
imila
r
e
s
a la
s
de 5
GH
z,
s
e emplea la mi
s
-
ma geomet
r
ía
r
ectangula
r
con 4 elemento
s
en cada
plano.
S
e dete
r
minan lay lade la mi
s
ma
f
o
r
ma que en el di
s
eño ante
r
io
r
.
P
a
r
a ga
r
antiza
r
la
ganancia mayo
r
de 16 dB
s
e nece
s
ita una=
0
.6,
lo que conlleva a una=2.4 que co
rr
e
s
ponde a
F
i
g
u
r
a
.
3
.
V
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s
t
a
f
r
o
n
t
a
l
d
e
l
s
i
s
t
e
m
a
una longitud
f
í
s
ica de 217 mm.
M
Sc
.
P
il
a
r Pr
a
d
o
G
u
ill
o
t,
D
r
.
C
T
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t
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d
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4
x
4
d
e
2
.
4
G
H
Z
El
r
adiado
r
también
e
s
el mi
s
mo, calculánd
os
e
la
s
dimen
s
ione
s
del pa
r
che
r
ectangula
r
de igual
f
o
r
ma,
donde
s
e obtiene:
W=51.83 mm
H
=9.5 mm
L
r
=75.39 mm
W
r
=75.39 mm
Como e
r
a de espe
r
a
r
, la
s
dimensiones son mayore
s
que las de la banda de 5 G
H
z
debido a que la longitud de
onda es mayo
r
.
En el diseño del sistema
de alimentación se em
p
lea
también una línea de t
r
ansmi-
sión coaxial
r
ectangula
r
con
H
= 6 mm, pe
r
o con un espe-
so
r
de la cinta de 0.5 mm.
En la
f
igu
r
a 6 se mue
s
tra
la cu
r
va de la R
O
E simulada
del sistema disc
r
eto de antena
s
(
dist
r
ibuido
r
de potencias y ra-
diado
r
es
)
, obteniéndose un va-
lo
r
po
r
debajo de 1.5 en toda la
banda de
fr
ecuencias como in-
dican las exigencias iniciale
s
.
En la
f
igu
r
a 7 se mue
s
-
t
r
an las ca
r
acte
r
ísticas de ga-
nancia, en coo
r
denadas
r
ec-
tangula
r
es, simulados pa
r
a la
fr
ecuencia cent
r
al y los ex-
t
r
emos de la banda de t
r
abajo
en ambos planos de pola
r
iza-
ción. El ángulo de
r
adiación
es meno
r
de 20º e igual en
ambos planos de pola
r
ización
pa
r
a la misma
fr
ecuencia y
ganancia supe
r
io
r
a 18 dB.
F
a
b
r
i
c
a
c
i
ón
d
e
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s
s
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Pa
r
a la
f
ab
r
icación de la
s
antenas se empleó una
fr
esadora
F
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.
7
.
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ó un
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otección
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cos de las antenas se midieron en
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F
igura 9).
Los
r
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ciones en la cámara anecoica se
muest
r
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iguras de la 10
a la 13. En las
f
iguras 10 y 11 se
muest
r
a la R
O
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5 y 2.4 GHz respectivamente,
cumpliendo con los valores de
ROE exigido
s
en cada caso. En
los diag
r
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t
r
ados en las
f
iguras 12 y 13 (para
las bandas 5 y 2.4
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se observa una elevada
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