Abstract— This paper describes the design and building of a alternative geometry for dipole of middle lambda, his frequency response and the development of a dipoles array for panel antenna with features similar to commerce manufacturer. The Development of panel antennas for Mobile Systems has bringing new models and designs for dipoles and dipole arrays. This antenna arrays has a bandwidth that works in different mobile system frequency, high gain and good response in operation frequency.

Index Terms—GSM, UMTS, BTS, RNC, VSWR, Front/back ratio, Half power beam, Gain, Directividad.

Resumen— Este artículo describe el diseño y construcción de una geometría alternativa para dipolos de media longitud de onda, su respuesta en frecuencia y el desarrollo de arreglos de dipolos para antenas tipo panel con características similares a las ofrecidas por fabricantes comerciales. El desarrollo de antenas panel para sistemas de comunicaciones móviles ha traído nuevos modelos y diseños para dipolos y arreglos de dipolos. El arreglo de dipolos propuesto tiene un ancho de banda de operación en las frecuencias asignadas para telefonía móvil, alta ganancia, buena respuesta en frecuencia en la banda de operación.

Palabras claves—GSM, UMTS, BTS, RNC, VSWR, Relación Front/back, puntos de media potencia, Ganancia, Directividad.

I. INTRODUCCION

a Evolución de las redes móviles y el aumento de los servicios ofrecidos demanda sistemas Tx/Rx de alto

desempeño, que permitan ofrecer calidad en los servicios sin importar las bandas de frecuencia de operación y la zona geográfica. Los servicios

L

de valor agregado ofrecidos por la telefonía móvil requieren de estaciones base de acceso a la red con antenas que puedan resonar en dos o más frecuencias, o con anchos de banda apreciables. De esta manera los dispositivos móviles tendrán una amplia gama de espectro de acceso al tener la posibilidad de operar en diferentes bandas de frecuencia, con antenas que cuentan con una amplia cobertura y buen comportamiento en la propagación de la señal portadora de información.

Las antenas panel, como arreglo de dipolos, son elemento fundamental de los sistemas de comunicación móviles, a tal punto que la optimización de estos dispositivos ha permitido el aumento de la eficiencia de los sistemas celulares, mejoras en la cobertura y operación en varias bandas de frecuencia. Tales antenas pueden trabajar en función del tráfico ofrecido a la zona de cobertura de la antena, de manera que pueden reorientar su haz y la cantidad de canales disponibles a los sitios donde el servicio por la baja cobertura presenta fallas o errores en las peticiones y servicios ofrecidos.

El trabajo realizado se centro en el diseño, optimización, implementación y caracterización un arreglo de dipolos para BTS, con un ancho de banda comprendido entre 1.7 GHz a 2.2. GHz, con una ganancia típica de 8 dBi. Mediante estudios parametricos, simulados con software especializado, aplicado específicamente al diseño geométrico de la antena, y aspectos como plano de masa, área del dipolo, acoples y línea de excitación, se ajusto y optimizo la respuesta de la antena para la frecuencia de operación. Así mismo se implemento un arreglo de dipolos para BTS, que se acerca a las características inicialmente planteadas, verificadas y caracterizadas con los equipos de

DISEÑO, IMPLEMENTACION Y OPTIMIZACION DE ANTENA TIPO

PANEL PARA BTS CON ARREGLO DE DIPOLOS

José Heriberto Martínez Morales, Mario Welman Alvarado, Especialización en Telecomunicaciones Móviles, Universidad Distrital Francisco José de Caldas

instrumentación propia para antenas, en este caso el BTS Máster Anritsu.

II. TRABAJOS ANTERIORES

El desarrollo de nuevas tecnologías de la información y las comunicaciones, que incluyen la convergencia de servicios de voz, datos, video y entretenimiento, es el nuevo desafío para los fabricantes de antenas que deben entrar en la innovación del mercado para acomodarse a altas velocidades, anchos de banda apreciables y grandes radios de cobertura. UMTS y próximamente LTE han motivado desarrollos rápidos en el diseño e implementación de arreglos de antenas para la demanda de los servicios ofrecidos, con una tendencia a la discreción en su diseño y en sus patentes, de este modo el mundo académico logra deducir todos sus métodos de diseño para llevar esta información a nuevos proyectos de investigación.

Fig. 1. Antena Panel y Diagrama de radiación para servicios de telefonía móvil en la banda PCS. Las imágenes son del fabricante Kathrein

El desarrollo de antenas banda ancha lleva a el diseño e implementación de dipolos banda ancha, los cuales son modificados en su

volumen, aumentándolo de manera significativa, el autor en [1] propone una geometría que aumenta el ancho de banda de respuesta de la antena dipolo y que además es muy utilizada por los radioaficionados rusos. En un interesante articulo [2], Igor Nadenenko, describe las características actuales de una antena tipo panel para BTS, que ofrece servicios de voz para telefonía celular.

La estación base [3] es el elemento encargado de gestionar todas las comunicaciones móviles que se realizan en su zona de cobertura y enlazarlas con el resto del sistema, desde donde se encaminarán a otras redes fijas o móviles alternativas. Cuando realizamos o recibimos una llamada, el teléfono utiliza ondas electromagnéticas de baja intensidad para poder comunicarse con una red de transmisores y receptores radioeléctricos: Las estaciones base. La conexión entre las diferentes Estaciones Base que componen una red de Telefonía Móvil hace posible la comunicación con cualquier lugar del mundo. Las siglas anglosajonas que se utilizan para referirse a una estación base son BTS (Base Transceiver Station). Los sistemas radiantes (antenas) que se emplean en la telefonía móvil son de tipo “panel” y suelen tener una altura que oscila entre 1 y 2 metros. Los sistemas radiantes no emiten potencia en todas las direcciones del espacio, sino que lo hacen fundamentalmente en una sola dirección, de forma directiva.

Fig. 2.Denominación de las bandas de frecuencias y dimensiones de longitud de onda. Las dimensiones de los dipolos de la arreglo panel se encuentran en la banda UHF

Una vez instaladas las antenas se configuran las orientaciones e inclinaciones de tal forma que la dirección de máxima radiación no incida sobre las fachadas de edificios colindantes ni sobre zonas transitables en las azoteas. Sin embargo, para poder cumplir estas premisas es necesario que los paneles estén elevados con el mástil una altura mínima.

III. GEOMETRÍA PROPUESTA PARA DIPOLO BANDA ANCHA

Asumiendo que un aumento considerable del volumen del dipolo incrementa el ancho de banda de respuesta en frecuencia, son varias las geometrías que al implementarse presentan anchos de banda del orden de 300 KHz hasta alcanzar 1 MHz. Esta respuesta es contemplada para un VSWR de 1.5 a 2, valor recomendado por los fabricantes de antenas y otros dispositivos para telecomunicaciones.

Sin importar la geometría, el dipolo debe conservar su longitud de λ/2 o la longitud corregida descrita por Krauss en (1), muy utilizada en el diseño de dipolos.

L=0.494λ (1)

También es necesario incrementar el diámetro de los conductores a utilizar. La recomendación es utilizar conductores planos o láminas, en vez de utilizar conductores circulares. Los resultados demuestran que utilizar conductores circulares no influye en el aumento del ancho de banda de la antena, pero si el aumento del diámetro o dimensiones laminas incide notoriamente. Además es muy difícil trabajar estas geometrías propuestas con conductores circulares por su difícil acoplamiento y la no utilización de técnicas de fabricación de corte preciso. Esta construcción es artesanal, pero las herramientas utilizadas en la implementación permiten tener bajos márgenes de error en el dimensionamiento de la antena.

(a)

(b)

(c)

Fig. 3. Diferentes tipos de geometría para dipolos. (a) Geometría tipo A, sencilla cerrada en recorrido de corriente. (b) Terminación en línea de transmisión hacia adentro, aumento de ancho de banda. © Diseño propuesto, mayor ancho de banda simulando línea de transmisión.

IV. ANALISIS POR EL MÉTODO DE MOMENTOS

En los casos donde es necesario incrementar la Directividad de la antena se recurre a formar arreglos integrados con dos o más antenas elementales idénticas, como en este caso 3 dipolos elementales con geometría modificada. Si la separación entre las antenas es la adecuada y el acople de impedancias apropiado permite la

implementación de un arreglo similar a una cortina vertical.

La información de las separaciones, dimensiones, impedancias, es muy escasa en los catálogos de los fabricantes. Es evidente que si sus separaciones y alimentaciones son elegidas correctamente, la ganancia de cada arreglo debe ser mayor que la de un solo dipolo; pero para realizar una alimentación correcta, es necesario conocer la impedancia de cada una de las antenas, en este caso similar para los tres dipolos, además dependen del acoplamiento mutuo entre todos los conductores del arreglo. Esta impedancia varia en función de la distancia entre antenas, entre mas separación, menos impedancia mutua. La separación influye radicalmente en el patrón de radiación, por esto la separación no debe ser muy grande, pero tampoco las antenas se pueden tener contacto entre sí. Rossier en [4] recomienda con base en mediciones practicas es aproximadamente 0.75 λ.

Fig 4. Equivalente circuito de impedancia para el arreglo de dipolos. De este modelo se obtiene la impedancia de

entrada del arreglo.

V. MM-ANAGAL

MM-Anagal es un desarrollo de software que permite la obtención de parámetros de antenas mediante la implementación del método de los momentos, algoritmo perteneciente a los NEC (Numerical Electromagnetic Codes). El código fuente básico es publicado como miniNEC y

desarrollado en varias versiones por sus autores [5]. Cuenta con una versión de libre uso reducida en funciones, pero con la capacidad necesaria, y una versión completa la cual debe ser adquirida con licencia.

VI. SIMULACION DE PARAMETROS

La simulación y el cálculo de parámetros se realiza utilizando el software de simulación MM-Anagal, el cual analiza los elementos radiantes mediante la implementación de un algoritmo de Método de Momentos. Generalmente la impedancia característica de las antenas dipolo es de 75 Ω en su parte real y una parte imaginaria despreciable. Los equipos de transmisión, recepción o instrumentos de medición, cuentan con impedancias de salida de 50 Ω en su cable de alimentación, por esto la impedancia del equipo transmisor es referenciada a este valor.

Los resultados obtenidos con una distancia entre antenas menor a 0.75 λ presentan una baja ganancia, un patrón de radiación poco directivo, un VSWR o ROE (Relación de Onda Estacionaria) alto y una alta impedancia reactiva en el arreglo de dipolos. La frecuencia central de diseño es de 1950 Mhz, pero esta frecuencia es variada para observar con detalle los cambios en los parámetros. Cabe anotar que la simulación no tiene incluido el acople entre el conjunto de antenas y la impedancia en el punto único de alimentación, en esta etapa de resultados es mas importante conocer la influencia que tiene la separación entre los elementos del arreglo en el patrón de radiación.

Para una separación entre dipolos equivalente a 0.75 λ, el arreglo de antenas alcanza un patrón de radiación mas directivo, mayor ganancia, menor VSWR, pero una impedancia mas baja. Esto indica que a una distancia mas grande que 0.75 λ el voltaje entre extremos del arreglo disminuye y la corriente hace un recorrido mas largo. Es importante aumentar la impedancia de entrada del arreglo hasta lograr unos 50 Ω, correspondientes a la impedancia de salida del transmisor y la impedancia característica de la línea de transmisión.

(a)

(b)

( c )

Fig. 5. Resultados de arreglo de dipolos con distancias menores a 0,75 λ entre elementos. (a) patrón de radiación y parámetros. b) Tabla de parámetros obtenida de análisis NEC del método de momentos (c) Patrón de radiación en 3D con eje Z positivo como dirección de máxima radiación. Imágenes obtenidas de MM-Anagal.

Esta vez el diagrama de radiación es más consistente a lo propuesto en el alcance de este estudio, la similaridad con el diagrama de radiación de los dispositivos de radiación presentados en el mercado. Solo es necesaria la implementación de un plano de masa para aumentar la ganancia, el inconveniente es la versión del software de simulación que no permite simular un plano de masa continuo que reoriente todo la radiación obtenida en los

lóbulos traseros y laterales. Adicionalmente, la función de optimización permite cambiar el diseño del arreglo de dipolos respecto al ajuste de los parámetros objetivos de la antena. Cabe recordar que al ganar en unos parámetros, se pierden los valores normales de otros en función de la frecuencia de operación.

(a)

(b)

(c)

Fig. 6. Resultados de arreglo de dipolos con distancia igual a 0,75 λ entre elementos. (a) patrón de radiación y parámetros. (b) Tabla de parámetros obtenida de análisis NEC del método de momentos © Patrón de radiación en 3D con eje Z positivo como dirección de máxima radiación. Imágenes obtenidas de MM-Anagal.

Fig. 7. Graficas de parámetros a la frecuencia de operación 1900 MHz. (a) Curvas de impedancia vs Frecuencia. La linea roja muestra la variacion de la compenente imaginaria o reactiva. La linea azul muestra la variacion de la impedancia real respecto a la frecuencia. (b) Curva de variacion de VSWR respecto a Frecuencia.

Al aumentar el ajuste en VSWR y ganancia, el arreglo de antenas pierde directividad y viceversa. Es recomendable no tratar de optimizar varios parámetros a la vez.

Fig. 8. Patrón de radiación y parámetros de optimización de parámetros a la frecuencia de operación 1900 MHz. Se optimizo VSWR pero se perdió en Ganancia y directividad.

VII. IMPLEMENTACIÓN

La fabricación del arreglo panel se realizó con láminas de cobre de 1.8 cm de diámetro. Las tres antenas se fabricaron con las mismas dimensiones guardando tolerancias de 1 a 2 mm de diferencia en la longitud física de las antenas.

Fig 9. Implementación dipolo banda ancha con geometría no convencional. Se observa la fabricación tipo artesanal y la dimensión respecto a la longitud eléctrica que corresponde al margen de 1cm-10cm de longitud.

Después de formadas las antenas, fueron sujetadas a una placa de acrílico, detrás de ellas atornillada un placa de aluminio que cumple la función de reflector en plano de masa para aumentar la directividad del arreglo. La red de alimentación consta de un latiguillo con conector SMA y cable 316, además de una red wilkinson implementada en sustrato FR-4 en forma de microstrip.

Fig. 9. Fabricacion de Panel BTS con arreglo de dipolos. Los materiales usados como el acrílico, aluminio y son económicos y de fácil manipulación.

VIII. CARACTERIZACIÓN

La caracterización de los elementos de la antena panel se realizó con el equipo BTS Master S232 del fabricante Anritsu. Este equipo es un monitor de parámetros de diversos tipos de antenas y líneas de transmisión. Funciona como medidor de parámetros, vectores de red y espectros de frecuencia de operación.

(a)

(b)

Fig. 10. Resultados de medicion con equipo de medicion Anritsu Master. (a).Instrumento y panel BTS (b) Respuesta en frecuencia para un spam de 1.5 GHz a 3 GHz.

Como se observa en la figura 10, se registran picos de resonancia con VSWR<1.5 en las frecuencias 1650 MHz, 1910 MHz, 2449 MHz, 2774 MHZ. Esto nos indica que es una antena multiresonante con anchos de banda generosos en respuesta para frecuencias superiores a los 2000 MHz.

Fig. 11. Resultados de medición con equipo de medición Anritsu Master. (a).Spam de 1400MHz a 2500 MHz medicion de frecuencia vs VSWR (b) Spam de 2200 MHz a 3000 MHz.

IX. CONCLUSIONES

Se obtuvieron múltiples picos de resonancia, pero no el ancho de banda considerado de los 1.7 GHz a los 2.2 GHz, esto a causa de la técnica de fabricación utilizada. Cualquier deformación en las antenas o en la estructura del panel cambia notablemente el patrón de radiación asi como la respuesta en frecuencia.

Hay respuestas planas con VSWR menos a 1.5 después de los 2000 MHz, esta respuesta funciona para bandas como las asignadas a LTE o la parte alta de la banda AWS.

La antena se encuentra resonando en la frecuencia de diseño de 1900 MHz, esto confirma que la técnica de fabricación repercute directamente en el ancho de banda de respuesta del arreglo de dipolos.

X. REFERENCIAS

[1] Nadenenko Igor, “Dipolo banda ancha con volumen de geometría expandida a base de hilos conductores” Revista Antiptop, Moscú, Rusia, 2009, pp. 16-20. of the biography. Personal hobbies will be deleted from the biography.

[2] Nadenenko Igor, “Dipolo banda ancha con volumen de geometría expandida a base de hilos conductores” Revista Antiptop, Moscú, Rusia, 2009, pp. 16-20. of the biography. Personal hobbies will be deleted from the biography.

[3] Colegio Oficial Asociacion Española de Colegios de Telecomunicaciones, “Funcionamieno de una estacion base celular” Madrid, España, 2009.

[4] Rossier H. “Antenas Colectivas”Boixeareu Editores Barcelona, 1986, pp 34-48..

[5] Nadenenko Igor, “Dipolo banda ancha con volumen de geometría expandida a base de hilos conductores” Revista Antiptop, Moscú, Rusia, 2009, pp. 16-20. of the biography. Personal hobbies will be deleted from the biography.