DISEÑO, IMPLEMENTACION Y OPTIMIZACION DE ANTENA TIPO PANEL PARA BTS CON ARREGLO DE DIPOLOS

DISEÑO, IMPLEMENTACION 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 — This paper describes the design and Abstract building of a alternative alternative geometry for dipole 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, frequency, high gain and good response in operation frequency. frequency. Index Terms —GSM,

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

Este artículo describe el diseño y construcción de una geometría alternativa para dipolos de media media longitud de onda, su respuesta en frecue frecuenci nciaa y el desarr desarroll olloo de arregl arreglos os de dipolos para antenas tipo panel con caract caracter eríst ística icass simila similares res a las ofreci ofrecidas das por fabricantes comerciales. El desarrollo de antenas panel para sistemas de comunicaciones móviles ha traído nuevos modelos y diseños para dipolos y arregl arreglos os de dip dipolo olos. s. El arregl arregloo de dip dipolo oloss propuesto tiene un ancho de banda de operación en las frecue frecuenci ncias as asigna asignadas das para para telefo telefonía nía móvi mó vil, l, alta alta gana gananc ncia ia,, buen buenaa resp respue uest staa en frecuencia en la banda de operación. Palabras claves—GSM, UMTS, BTS, RNC, VSWR, Relación Front/back, puntos de media potencia, Ganancia, Directividad. Directividad. I. I NTRODUCCION a Evolución de las redes móviles y el aume aument ntoo de los los serv servic icio ioss ofre ofreci cido doss dema demand ndaa siste istema mass Tx/R x/Rx de alt ltoo 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 valor agrega agregado do ofreci ofrecidos dos por la telefo telefonía nía 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 frecue frecuenci ncia, a, con antena antenass que cuenta cuentann con una amplia cobertura y buen comportamiento en la propagación de la señal portadora de información. Las antenas panel, como arreglo de dipolos, son elem elemen ento to fund fundam amen enta tall de los los sist sistem emas as de comu comuni nica caci ción ón mó móvi vile les, s, a tal tal punt puntoo que que la optimización de estos dispositivos ha permitido el aume aument ntoo de la efic eficie ienc ncia ia de los los sist sistem emas as celulares, mejoras en la cobertura y operación en vari varias as band bandas as de frec frecue uenc ncia ia.. Tales ales ante antena nass 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 trabaj trabajoo realiz realizado ado se centro centro en el diseño diseño,, optimización, implementación y caracterización caracterización un arreglo de dipolos para BTS, con un ancho de banda comprendido entre 1.7 GHz a 2.2. GHz, con una gananc ganancia ia típic típicaa de 8 dBi. dBi. Median Mediante te 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 antena para para la frecue frecuenci nciaa de operac operación ión.. Así Así mismo se implemento un arreglo de dipolos para BTS, BTS, que que se acer acerca ca a las las cara caract cter erís ísti tica cass inic inicia ialm lmeente nte plant lanteeadas adas,, verif erific icad adas as y caracterizadas con los equipos de

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instrumentación propia para antenas, en este caso el BTS Máster Anritsu. II. TRABAJOS A NTERIORES El desa desarr rrol ollo lo de nuev nuevas as tecn tecnol olog ogía íass 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 veloci velocidad dades, es, anchos anchos de banda banda apreci apreciabl ables es y grandes radios de cober bertura. UMTS y próximam próximamente ente LTE han moti motivado vado desarrollo desarrolloss rápi rápido doss en el dise diseño ño e impl implem emen enta taci ción ón de arre arregl glos os de ante antena nass para para la dema demand ndaa de los los serv servic icio ioss ofre ofreci cido dos, s, con con una una tend tenden enci ciaa a la discreción en su diseño y en sus patentes, de este modo el mundo académico logra deducir todos sus sus méto métoddos de dise diseño ño para para lleva levarr est esta información a nuevos proyectos de investigación.

Fig. 1. Antena Panel y Diagrama de radiación para servicios

volumen, aumentándolo de manera significativa, el autor autor en [1] propon proponee una geometr geometría ía que aumenta el ancho de banda de respuesta de la antena dipolo y que además es muy utilizada por los radioafic radioaficionad ionados os rusos. rusos. En un interesan interesante te arti articu culo lo [2], [2], Igor Igor Nade Nadene nenk nko, o, desc descri ribe be las las características actuales de una antena tipo panel para para BTS, BTS, que ofrece ofrece servic servicios ios de voz para 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 con el rest restoo del del sist sistem ema, a, desd desdee dond dondee se enca encami mina nará ránn a otra otrass rede redess fija fijass o mó móvi vile less alternativas. Cuando realizamos o recibimos una llamada, el teléfono utiliza ondas electromagnéticas de baja intensidad para poder comuni comunicar carse se con una red de transm transmiso isore ress 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 Trans Transcei ceiver ver Sta Statio tion). n). Los sistem sistemas as radian radiantes tes (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.





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.

(a)

GEOMETRÍA PROPUESTA PARA DIPOLO BANDA ANCHA

Asumiendo que un aumento considerable del volumenn del dip volume dipolo olo increm increment entaa el ancho ancho de banda de respuesta en frecuencia, son varias las geome geometrí trías as que al imp implem lement entars arsee presen presentan tan 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 por los los fab fabrica ricant ntes es de ante antena nass y otro otross dispositivos para telecomunicaciones. telecomunicaciones.

(b)

Sin imp import ortar ar la geomet geometría ría,, el dip dipolo olo debe debe cons conser erva varr su long longit itud ud de λ/2 λ/2 o la long longit itud ud corr correg egid idaa desc descri rita ta por por Krau Krauss ss en (1), (1), mu muyy 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 conductores planos o láminas, láminas, en vez de utilizar conductores circulares. Los resultados demuestran demuestran que util utilizar izar conductore conductoress circular circulares es no influye en el aumento del ancho de banda de la antena, pero si el aumento del diámetro o dime dimens nsio ione ness lami lamina nass inci incide de noto notori riam amen ente te.. Además es muy difícil trabajar estas geometrías propu propuest estas as con conduc conductor tores es circul circulare aress por su difí difíci cill acop acopla lami mien ento to y la no util utiliz izac ació iónn de técnicas técnicas de fabricaci fabricación ón de corte corte preciso. preciso. Esta construcción es artesanal, pero las herramientas utilizadas en la implementación permiten tener bajos márgenes de error en el dimensionamiento de la antena.

(c) Fig. 3. Diferente Diferentess tipos de geometría geometría para dipolos. dipolos. (a) Geometría tipo A, sencilla cerrada en recorrido de corriente. (b) Terminació Terminaciónn en línea línea de transmisi transmisión ón hacia adentro, aumento de ancho de banda. © Diseño propuesto, mayor ancho de banda simulando línea de transmisión.

IV. A NALISIS POR EL POR EL MÉTODO DE MOMENTOS En los casos donde es necesario incrementar la Directividad de la antena se recurre a formar arre arregl glos os inte integr grad ados os con con dos dos o más más ante antena nass elem elemen enta tale less idén idénti tica cas, s, como como en este este caso caso 3





La infor nforma maci ción ón de las sepa separracio acione ness, 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 cono conoce cerr la impe impeda danc ncia ia de cada cada una una de las las ante antena nas, s, en este este caso caso simi simila larr para para los los tres tres dipolo dip olos, s, además además depend dependen en del acopla acoplamie miento nto mutuo entre todos los conductores del arreglo. Esta impedancia varia en función de la distancia entre entre antena antenas, s, entre entre mas separa separació ción, n, menos menos impe impeda danc ncia ia mu mutu tua. a. La sepa separa raci ción ón infl influy uyee radicalmente en el patrón de radiación, por esto la separa separació ciónn no debe debe ser muy grande grande,, pero pero tampoco las antenas se pueden tener contacto entre sí. Rossier en [4] recomienda con base en mediciones practicas es aproximadamente 0.75 λ.

reducida en funciones, pero con la capacidad necesaria necesaria,, y una versión completa completa la cual debe ser adquirida con licencia.

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VI. SIMULACION DE PARAMETROS

La simulación y el cálculo de parámetros se realiza utilizando el software de simulación MMAnagal, el cual analiza los elementos radiantes mediante la implementación de un algoritmo de Méto Método do de Mome Moment ntos os.. Gene Genera ralm lmen ente te la impedancia característica de las antenas dipolo es de 75 Ω en su parte real y una parte imag imagin inar aria ia desp despre reci ciab able le.. Los Los equi equipo poss de tran transm smis isió ión, n, rece recepc pció iónn o inst instru rume ment ntos os 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. valor. Los resultado resultadoss obtenidos obtenidos con una distancia 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 tiene inclui incluido do el acople acople entre entre el conjun conjunto to de antenas y la impedancia en el punto único de alimentación, en esta etapa de resultados es mas import imp ortant antee conoce conocerr la influe influenci nciaa que tiene tiene la separación entre los elementos del arreglo en el patrón de radiación.

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

V. MM-A NAGAL

MM-Anagal es un desarrollo de software que permite la obtención de parámetros de antenas

Para una separación entre dipolos equivalente a 0.75 λ, el arreglo de antenas alcanza un patrón de radiac radiación ión mas direc directiv tivo, o, mayor mayor gananc ganancia, ia, menor VSWR, pero una impedancia mas baja. Esto indica que a una distancia mas grande que 0.75 0.75 λ el vol voltaj tajee entre entre extrem extremos os del arreglo arreglo disminuye y la corriente hace un recorrido mas largo. Es importante aumentar la impedancia de entrad entradaa del arreglo arreglo hasta hasta log s 50 Ω,





funció funciónn de opt optimi imizac zación ión permit permitee cambi cambiar ar 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)

(a)

(c)

(b)

Fig. 5. Resultado Resultadoss de arreglo de dipolos dipolos con distancias 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 eje Z posi positi tivo vo como como dire direcc cció iónn de máxi máxima ma radi radiaci ación ón.. Imágenes obtenidas de MM-Anagal.

Esta vez el diagrama de radiación es más consistente a lo propuesto en el alcance de este estu estudi dio, o, la simi simila lari rida dadd con con el diag diagra rama ma de radi radiac ació iónn de los los disp dispos osit itiv ivos os de radi radiac ació iónn presentados en el mercado. Solo es necesaria la impl impl taci tación ón de pl de

(c) Fig. 6. Resultados de de arreglo de de dipolos con distancia distancia igual a 0,75 0,75 λ entr entree elem elemen ento tos. s. (a) (a) patr patrón ón de radi radiaci ación ón y





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VII. IMPLEMENTACIÓN

La fabricación del arreglo panel se realizó con láminas láminas de cobre cobre de 1.8 cm de diámet diámetro. ro. Las tres tres ante antena nass se fabr fabric icar aron on con con las las mism mismas as dimensiones guardando tolerancias de 1 a 2 mm de diferencia en la longitud física de las antenas.

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

Al aumentar el ajuste en VSWR y ganancia, el arre arregl gloo de ante antena nass pier pierde de dire direct ctiv ivid idad ad y vice viceve vers rsa. a. Es reco recome mend ndab able le no trat tratar ar de optimizar varios parámetros a la vez.

Fig 9. Implementación dipolo dipolo banda ancha con geometría 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.

Desp Despué uéss de form formad adas as las las ante antena nas, s, fuer fueron on sujetadas a una placa de acrílico, detrás de ellas atornillada un placa de aluminio que cumple la func funció iónn de refl reflec ecto torr en plan planoo de masa masa para 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







(b) Fig. 10. 10. Resultados de medicion medicion con equipo de medicion 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 pic picos os de reso resona nanc ncia ia con con VS VSWR WR<1 <1.5 .5 en las 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. 9. Fabricacion de Panel BTS con arreglo de dipolos. Los materiales usados como el acrílico, aluminio y son económicos y de fácil manipulación.

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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.





IX. CONCLUSIONES •

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Se obtuvieron múltiples picos de reso resona nanc ncia ia,, pero pero no el anch anchoo de band bandaa considerado de los 1.7 GHz a los 2.2 GHz, esto a causa de la técnica de fabricación utili utilizad zada. a. Cualqu Cualquier ier deform deformaci ación ón en las antenas o en la estructura del panel cambia notabl not ableme emente nte el patrón patrón de radiac radiación ión asi como la respuesta en frecuencia. Hay respuestas planas con VSWR menos a 1.5 desp espués ués de los los 2000 2000 MHz MHz, est esta respuesta funciona para bandas como las asignadas a LTE o la parte alta de la banda AWS. La antena antena se encuen encuentra tra resona resonando ndo en la frecuencia de diseño de 1900 MHz, esto confi confirma rma que la técnic técnicaa de fabric fabricaci ación ón repe reperc rcut utee dire direct ctam amen ente te en el anch anchoo de banda de respuesta del arreglo de dipolos.

X. R EFERENCIAS EFERENCIAS [1] Nadenenko Nadenenko Igor Igor,, “Dipolo “Dipolo banda ancha con volum volumen en de geometría expandida a base de hilos conductores” Revista Antiptop, Antiptop, Moscú, Rusia, 2009, pp. 16-20. of the biography. biography. Personal hobbies will be deleted from the biography. [2] Nadenenko Nadenenko Igor Igor,, “Dipolo “Dipolo banda ancha con volum volumen en de geometría expandida a base de hilos conductores” Revista Antiptop, Antiptop, Moscú, Rusia, 2009, pp. 16-20. of the biography. biography. Personal hobbies will be deleted from the biography. [3] Colegio Colegio Oficial Oficial Asociacion Asociacion Española Española de Coleg Colegios ios de Telecomunicaciones, Telecomunicaciones, “Funcionamieno de una estacion base celular” Madrid, España, 2009. [4] Rossier Rossier H. “Anten “Antenas as Colectiv Colectivas”Boi as”Boixeareu xeareu Editores Editores

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