Evaluaci on de un sensor de campo el ectrico inspirado en ...
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Evaluaci´ on de un sensor de campo el´ ectrico inspirado en un meta-resonador electromagn´ etico Pablo Emilio Camacho Prieto Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingenier´ ıa, Departamento de Ingenier´ ıa El´ ectrica y Electr´ onica Bogot´ a, Colombia 2019
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Evaluacion de un sensor de campoelectrico inspirado en un
meta-resonador electromagnetico
Pablo Emilio Camacho Prieto
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingenierıa, Departamento de Ingenierıa Electrica y Electronica
Bogota, Colombia
2019
Evaluacion de un sensor de campoelectrico inspirado en un
meta-resonador electromagnetico
Pablo Emilio Camacho Prieto
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al tıtulo de:
Ingeniero Electronico
Director:
Ing. Javier Leonardo Araque Quijano PhD.
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingenierıa, Departamento de Ingenierıa Electrica y Electronica
Bogota, Colombia
2019
Dedicatoria
Para el fantasma de Canterville.
Agradecimientos
Como profesional: En primer lugar a la Universidad Nacional que es mi alma mater.
Luego, al profesor Javier Araque por su tiempo y paciencia a lo largo del semestre, por su
ejemplo y profesionalismo. Asimismo al CMUN por brindarme un espacio y herramientas de
trabajo. Y finalmente a David Galindo y Camilo Cano quienes en el dıa a dıa se dispusieron
a ayudarme e incluso a aconsejarme cuando fue necesario.
Como persona: Las palabras nunca alcanzan...: A mama quien dedica su vida a sus hijos,
agradezco su tiempo eterno y su apoyo incondicional. A papa quien es mi ejemplo a seguir,
gracias por los consejos, por tenderme la mano cuando es preciso. A Alejandro, por los
momentos de diversion. Y finalmente a Yenny, por su alma, su paciencia, su amor. Este es
un paso, aunque importante, infinitesimalmente pequeno. Hay mucho que caminar aun...
vii
Resumen
En el presente trabajo se propone evaluar por medio de simulacion y medidas el meta-
resonador Coco-chanel como sensor de campo electrico. Para ello se compara su compor-
tamiento con el de un dipolo electrico, que es la antena utilizada comunmente para esta
aplicacion.
La primera parte del trabajo comprende el estudio del comportamiento de la Coco-chanel y su
diseno para que resuene a 1 GHz. Asimismo se disena y evalua un dipolo electrico comparable
en tamano a la Coco-chanel. Posteriormente se estudia la reflexion y los parametros de
transmision de cada caso. El calculo de la reflexion se hace por medio de una antena bajo
prueba (AUT). Esta se disena y fabrica de tal manera que resuene en el ancho de banda de
estudio que es de 900 MHz a 1.1 GHz. Por otro lado, para el caso de los parametros de
transmision se prueba el caso de dos sondas identicas (Coco-chanel a Coco-chanel y dipolo
electrico a dipolo electrico) como emisora y receptora. Los parametros de transmision se
comparan utilizando los conceptos de area efectiva y factor de antena. Los resultados de
reflexion y transmision permitiran evaluar ventajas y desventajas de la Coco-chanel frente
al dipolo electrico y sugerir si es adecuado o no su uso como sensor de campo electrico.
Palabras clave: Coco-chanel, Dipolo electrico, Reflexion, Factor de antena, Area efectiva,
Lınea de transmision.
Abstract
This work purposes the evaluation of the meta-resonator Coco-chanel as electric-field sen-
sor by simulation and measurements. For this purpose, the behavior of the Coco-chanel is
compared with the one of an electric dipole, which is commonly reported as electric-field
sensor.
Initially, the behavior of the Coco-chanel is studied. Then it is explained how it was tunned
to resonate at 1 GHz. Likewise, an electric dipole is design and evaluated. The electric
dipole has to be comparable in length with the Coco-chanel. Next, the relexion and the
transmission parameters are studied for each case. For the calculus of reflexion, an antenna
under test (AUT) is design and fabricated. This antenna has to resonate in the bandwidth
of study which is from 900 MHz to 1.1 GHz. Furthermore, for the study of the transmission
parameters, the case of two identical probes (Coco-chanel to Coco-chanel and electric dipole
to electric dipole) as emisor-receiver is considered. The comparison of this parameters is done
using the concept of effective area and antenna factor. The refelxion and the transmision
parameters allow to study advantages and disadvantages of the Coco-chanel related to the
electric dipole. This will allow to suggest if it is or not suitable the use of the Coco-chanel
as electric field sensor.
Keywords: Coco-chanel, Electric dipole,Reflexion, Antenna factor, Effective area, Transmis-
sion line.
Contenido
Agradecimientos VI
Resumen VII
1 Introduccion 2
1.1 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Especıfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Marco teorico 5
2.1 Partıcula Coco-chanel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Parametros de reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Parametros de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Area efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2 Factor de antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Diseno de las sondas 10
3.1 Software de simulacion: CST Microwave Studio . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 Coco-chanel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.1 Dimensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Dipolo electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4 Diseno y fabricacion de la conexion para la Coco-chanel 17
4.1 Simulacion de la lınea de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.2 Medicion de la lınea de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5 Resultados 22
5.1 Fabricacion de las sondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2 Simulaciones y medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2.1 Antena bajo prueba (AUT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2.2 Efecto de las sondas en la antena bajo prueba . . . . . . . . . . . . . 26
5.2.3 Parametros de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Contenido 1
5.3 Analisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6 Conclusiones y trabajo a futuro 33
6.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2 Recomendaciones y trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1 Introduccion
1.1. Planteamiento del problema
En la literatura, es comun hallar el uso del dipolo electrico como sensor de campo electrico.
Este tipo de antenas presenta un patron de radiacion omnidireccional de forma toroidal [1].
Como consecuencia de su patron de radiacion, la medida del campo electrico con el dipolo
electrico esta asociada a un error debido a la reflexion de la antena.
Por otro lado, a lo largo de los anos se ha trabajado en el concepto de antenas invisibles.
Un ejemplo de esto se cita en el artıculo [2], en el cual se propone un dipolo modulado con
un diodo y una inductancia. Esta modulacion permite alterar la radiacion del dipolo de tal
manera que la antena se comporta electricamente invisible a cierta frecuencia. Si bien esta
modulacion podrıa ser una solucion al problema de reflexion del dipolo en el sensado de
campo electrico. Esta es aplicable apenas en un ancho de banda angosto. En contraste a esto
se encuentra la posibilidad de explorar la metasuperficie de Huygens. Este concepto consiste
en un metamaterial absorvente (electricamente invisible) para un ancho de banda conside-
rable. Un ejemplo de esto se encuentra en el artıculo [3]. Allı se estudia una metasuperficie
de Huygens basada en la partıcula Coco-chanel. El artıculo reporta invisibilidad electrica en
un rango de frecuencia de 1 GHz a 10 GHz. Esto representa una ventaja significativa en
comparacion con el dipolo modulado del artıculo [2]. Por esta razon se propone evaluar la
partıcula Coco-chanel como sensor de campo electrico.
El uso de metamateriales como sensores no es nuevo como se observa en la literatura [4].
Aunque se presentan varias aplicaciones de sensado no se encontraron reportes sobre uso
de metamateriales como sensores de campo electrico. De esta manera, ademas de proponer
una forma distinta para medir el campo electrico, tambien se va a evaluar una aplicacion
novedosa en el area de los metamateriales.
1.2. Objetivos
1.2.1. General
Estudiar la aplicabilidad del meta-resonador Coco-chanel como sensor de campo electrico, al
contrastar su rendimiento con el de un dipolo electrico de tamano comparable. La evaluacion
se hara en el rango de 900 MHz a 1.1 GHz. Se deben considerar los casos de estudio de
reflexion y transmision para ambas sondas. Para la reflexion se considera la situacion de
1.3 Alcance 3
interaccion entre una antena emisora tipo discono que radia la respectiva sonda. Mientras
que en el caso de transmision se utilizan dos sondas identicas (una emisora y otra receptora),
con el fin de calcular la ganancia de la Coco-chanel y del dipolo.
1.2.2. Especıfico
Sintonizar por medio de simulaciones la partıcula Coco-Chanel de tal manera que su
patron de campo lejano tienda a ser tipo cardiode.
Construir un prototipo de las sondas Coco-chanel y dipolo electrico.
Proponer un esquema de conexion de la partıcula Coco-Chanel a un receptor de mi-
croondas.
Calcular la reflexion por medio de simulacion y medidas de la Coco-chanel y del dipolo
electrico.
Calcular el area eficaz y el factor de antena de la Coco-chanel y del dipolo electrico
por medio de simulacion y experimentacion.
Comparar el funcionamiento de la partıcula Coco-Chanel y del dipolo con el fin de
encontrar ventajas y/o desventajas del uso de la partıcula Coco-chanel como sensor de
campo electrico en relacion al dipolo electrico.
1.3. Alcance
La evaluacion del meta-resonador Coco-chanel y del dipolo electrico llevara a contrastar
ventajas y/o desventajas de uno frente al otro en funcion de sus caracterısticas de transmision
y reflexion. Esta comparacion permitira evaluar la posibilidad de usar la Coco-chanel como
sensor de campo electrico frente a un dipolo electrico que es el sensor comunmente usado.
Este estudio se hace para un caso especıfico, el cual es determinado por la sintonizacion de
la Coco-chanel, el ancho de banda en que se haran medidas y simulaciones, y la conexion
propuesta para la Coco-chanel.
1.4. Metodologıa
En primer lugar, el diseno de la partıcula Coco-chanel y del dipolo electrico se realiza utili-
zando el software CST Micrwave Studio. Para la Coco-chanel, se iteran sus dimensiones y se
evalua el comportamiento en cada caso hasta llegar al comportamiento deseado. En cuanto
al dipolo electrico, su longitud debe ser comparable al tamano de la Coco-chanel. Se debe
tener en cuenta ademas, que las dimensiones elegidas sean adecuadas para una fabricacion
4 1 Introduccion
precisa. Esto se debe a que existen limitaciones relacionadas a las herramientas disponibles
en el laboratorio. La sensibilidad de los equipos de fabricacion, impide el prototipado de
partıculas de dimensiones pequenas como la mostrada en el artıculo [3] (en donde el radio
de la Coco-chanel es de 3.4 mm).
Al tener las dimensiones de la Coco-chanel y del dipolo electrico se hace un estudio por
medio de simulacion de sus parametros de reflexion y transmision. Para el caso de reflexion
se disena y fabrica una antena bajo prueba (AUT) tipo discono. Al tener el valor de los
parametros de reflexion de la AUT aislada y en los casos en que interactua con la Coco-
chanel y con el dipolo electrico, es posible calcular la reflexion de cada uno de estos. En
el caso de los parametros de transmision, la prueba consiste en usar dos sondas identicas
(Coco-chanel Coco-chanel o dipolo electrico dipolo electrico) como emisora y receptora. Al
tener los parametros de transmision, es posible calcular la ganancia de la respectiva sonda
utilizando la ecuacion de Friis.
Finalmente, se hace el prototipado de la Coco-chanel, del dipolo electrico utilizando la camara
oscura del laboratorio de comunicaciones (CMUN). Con esto se realizan las pruebas experi-
mentales de reflexion y transmision. Para la medicion se utiliza el analizador de espectros de
referencia ROHDE & SCHWARZ FSH8. Las mediciones se comparan con las simulaciones.
Estos resultados permiten sugerir ventajas y/o desventajas de la Coco-chanel frente al dipolo
electrico como sensor de campo electrico.
Ası como para evaluar en primera instancia los parametros de transmision y reflexion. Las
simulaciones se realizan utilizando el metodo integral de ecuaciones el cual es soportado por
este programa.
2 Marco teorico
2.1. Partıcula Coco-chanel
La partıcula Coco-chanel se compone de dos anillos con terminaciones como se muestra en
la figura 2-1. Los anillos estan separados verticalmente una distancia s que se mide desde el
centro de cada uno de ellos. Tambien estan separados una distancia d entre sus superficies.
Cada anillo presenta efectos capacitivo e inductivo. El primer caso se da predominante-
mente por las terminaciones, y se determinan segun la longitud l de estas y la distancia
g que separa la terminacion superior de la inferior. Asimismo, el efecto inductivo se debe
predominantemente a los anillos y se determina segun el radio R de cada uno de ellos.
Figura 2-1: Dimensiones de la Coco-chanel.
Para entender el funcionamiento de la Coco-chanel se puede observar la figura 2-2. En primer
lugar se debe reparar en la direccion de la onda incidente. En la figura 2-2 (a) se observa que
el campo electrico es perpendicular a las terminaciones, mientras que el campo magnetico
atraviesa los anillos. De esta forma, cuando la onda incidente interactua con la Coco-chanel,
se induce una densidad de corriente y una densidad de carga. Estos efectos son variables en
el tiempo como se muestra en la figura 2-2 (b). Al observar la densidad de corriente (de color
rojo) se ve un desfase entre ambos anillos (curva continua y discontinua). La explicacion de
este efecto es mas clara en la figura 2-2 (c). Allı se observa que la direccion y la magnitud
de la densidad de corriente varıan en funcion del tiempo. Este efecto produce un acople
magnetico en la Coco-chanel. Por otro lado, la curva azul de la figura 2-2 (b) representa
la variacion de la densidad de carga en cada anillo en funcion del tiempo. Una vez mas,
este efecto es mas claro al ver los instantes que se representan en la figura 2-2 (d). Este
efecto es analogo al caso de densidad de corriente, pero en este caso representa un acople
6 2 Marco teorico
electrico. Teniendo en cuenta esto, es posible intuir que la Coco-chanel se comportara como
un dipolo magnetico o un dipolo electrico dependiendo de si el acople magnetico o electrico
es predominante. Sin embargo hay un tercer caso en que ambos acoples son proporcionales,
este es el caso de resonancia. La resonancia depende de dos factores: la frecuencia de la onda
incidente y las dimensiones de la Coco-chanel. Con el objetivo de ilustrar esto, se hicieron
simulaciones dejando las dimensiones de la Coco-chanel constantes y alterando unicamente
la frecuencia de estudio de tal manera que fuera posible ver los tres casos. El resultado se
muestra en la figura 2-3.
La figura 2-3 (a) muestra la Coco-chanel vista desde el plano del campo magnetico H.
Teniendo este plano como referencia, se observa el patron de campo lejano en la figura 2-3
(b). Este corresponde al de un dipolo magnetico. Al disminuir la frecuencia se observa el
caso del dipolo electrico. Para ello se cambia la vista al plano de referencia corresponde al
del campo electrico como se muestra en la figura 2-3 (c). El patron de campo lejano se
muestra en la figura 2-3 (d). Finalmente, en medio de las frecuencias para el caso de dipolo
electrico y magnetico, se encuentra el caso de resonancia. Este se muestra en la figura 2-3
(f) en donde el patron de radiacion es tipo cardiode. En este caso la Coco-chanel tiende a
comportarse como un material absorbente. En efecto el patron de campo lejano muestra que
la reflexion en 180o tiende a cero.
2.2. Parametros de reflexion
Para calcular la reflexion de la Coco-chanel y del dipolo electrico se deben obtener los parame-
tros de reflexion de la antena bajo prueba. En este caso se propone utilizar un discono como
antena bajo prueba. Esto debido a que este tipo de antena tiene la caracterıstica de resonar
en un ancho de banda amplio. Esta caracterıstica es ventajosa en este trabajo debido a que
la antena puede resonar en todo el rango de frecuencia de estudio.
Para el calculo de la reflexion, se deben obtener los parametros de reflexion de la antena bajo
prueba aislada y al interactuar con la Coco-chanel y con el dipolo electrico. Esta interaccion
se debe dar en la region de campo cercano de la antena. Para ello se toma como referencia
la distancia determinada por la ecuacion 2-1 en donde D corresponde a la mayor longitud
de la antena y r es la distancia entre la antena y la sonda Coco-chanel o dipolo electrico.
Campo cercano reactivo: [2 ∗D2
λ> r ≥ 0,62 ∗
√D3/λ] (2-1)
Una vez se tienen los parametros de reflexion enunciados, se utiliza al ecuacion 2-2. Este
resultado indica la magnitud y el desfase de la reflexion de la Coco-chanel y del dipolo
electrico.
Reflexion sonda = S11aut−aislada − S11aut−vs−sonda (2-2)
2.2 Parametros de reflexion 7
(a) Onda incidente en la Coco-chanel
(b) Densidad de corriente y densidad de
carga esperadas
(c) Densidad de corriente
simulada
(d) Densidad de carga simula-
da
Figura 2-2: Comportamiento de la Coco-chanel,(a) direccion de la onda incidente, (b) Den-
sidad de corriente y de carga esperados, (c) simulacion de la densidad de co-
rriente, (d) simulacion de la densidad de carga. Las figuras (b), (c) y (d) se
tomaron del artıculo [3].
8 2 Marco teorico
(a)
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-90
-80
-70
-60
-50 dB
Patrón campo lejano tipo dipolo magnético
(b)
(c)
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-140 -125 -110 -95 -80 dB
Patrón campo lejano tipo dipolo eléctrico
(d)
(e)
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-110 -97.5 -85 -72.5 -60 dB
Patrón campo lejano tipo cardiode
(f)
Figura 2-3: Patron de campo lejano de la Coco-chanel. (a), (c) y (d) son las vistas usadas
para la grafica de patron de campo lejano junto con las vistas de las respectivas
ondas incidentes. (b) Patron de campo lejano tipo dipolo magnetico, (d) Patron
de campo lejano tipo dipolo electrico, (f) Patron de campo lejano tipo cardiode.
2.3. Parametros de transmision
En esta prueba se propone evaluar el caso de dos sondas identicas(Coco-chanel Coco-chanel
o dipolo electrico dipolo electrico) como emisor-receptor. Los parametros de transmision
2.3 Parametros de transmision 9
permiten calcular la ganancia de las sondas utilizando la ecuacion de Friis 2-3 [1]. Debido
a que la sonda receptora y emisora son identicas se cumple que Gr = Gt. Por lo tanto se
puede despejar la ganancia de 2-3 obteniendo ası la ecuacion 2-4. Con este valor es posible
calcular el area efectiva de antena y el factor de antena.
S21 =Pr
Pt
= Gr ∗Gt ∗λ2
(4 ∗ π ∗R)2(2-3)
G =
√(4 ∗ π ∗R)2 ∗ S21
λ2(2-4)
2.3.1. Area efectiva
El area efectiva de una antena en una direccion determinada se define como ”La relacion de
la potencia disponible en las terminales de una antena receptora y el flujo de potencia de
una onda plana incidente en la antena en la direccion dada”[1]. Esta definicion se representa
matematicamente por medio de la ecuacion 2-5. Para expresar la ecuacion en funcion de la
ganancia de antena, es preciso tener en cuenta la ecuacion 2-3 ası como el caso de directividad
maxima de la antena (que es el mismo caso de ganancia maxima). Esto permite expresar la
ecuacion de area efectiva como se muestra en la ecuacion 2-6.
Ae =Pt
Wi
(2-5)
Ae = G ∗ λ2
4 ∗ π(2-6)
Al sustituir la ecuacion 2-4 en 2-6 se obtiene que el area efectiva es igual a:
Ae = λ ∗R ∗√S21 (2-7)
Este resultado indica que el area efectiva es proporcional a los parametros de transmision
2.3.2. Factor de antena
El factor de antena es uno de los parametros mas utilizados en la literatura para la evaluacion
de sensores [5], [6]. Este parametros se define como ”La relacion del campo electrico incidente
en la superficie de un sensor y la tension en las terminales del sensor”[5]. El factor de
antena se describe matematicamente por medio de la ecuacion 2-8. En donde se define
el campo electrico como E =√η0 ∗ PD siendo η0 la impedancia de espacio libre, y PD
la potencia entregada a la antena. Asimismo, la tension en las terminales se define como
V = λ ∗√PD ∗G ∗ Z de donde se define la ecuacion de factor de antena en funcion de la
ganancia del sensor.
FA =E
V=
η0
λ ∗√Z ∗G
(2-8)
3 Diseno de las sondas
3.1. Software de simulacion: CST Microwave Studio
CST Studio es un software de simulacion que permite analizador, disenar y optimizar sis-
temas y componentes electromagneticos. Este programa permite estudiar los problemas por
medio de distintos metodos de analisis, por ejemplo el dominio de la frecuencia, el dominio
del tiempo, el metodo de ecuaciones integrales, entre otros. Para este trabajo, todas las si-
mulaciones fueron hechas utilizando el metodo de ecuaciones integrales debido a que es el
metodo que presento mejores resultados.
3.2. Coco-chanel
Si bien en el artıculo [3] se dan las dimensiones de la Coco-chanel utilizada en la metasu-
perficie de Huygens reportada. No es posible reproducir esta partıcula con las herramientas
disponibles en el laboratorio donde se desarrolla este trabajo. Por esta razon es necesario
sintonizar la partıcula de tal manera que sus dimensiones permitan una fabricacion adecuada.
En esta seccion se muestran las dimensiones de la Coco-chanel obtenidas por medio de
simulacion para garantizar su resonancia a 1 GHz, ası como su sensibilidad en el rango de
frecuencia de estudio (900 MHz a 1.1 GHz).
Para sintonizar la Coco-chanel a 1 GHz es necesario realizar iteraciones variando sus dimen-
siones. Se partio de las dimensiones sugeridas en el artıculo [3]. A partir de allı, y al observar
el comportamiento de campo lejano de la Coco-chanel en CST, se variaron tres parametros
segun el comportamiento de cada iteracion: el radio de los anillos (R), la longitud de las
terminaciones (l) y la distancia de separacion entre el centro de los anillos (s). En la siguien-
te seccion se muestra como se hizo la iteracion para el caso de una Coco-chanel en vacıo y
como, partiendo de allı se llegaron a las dimensiones de la Coco-chanel a fabricar.
3.2.1. Dimensiones
Coco-chanel en vacıo
Los parametros de la Coco-chanel se muestran en la figura 3-1. El valor de cada uno de estos
segun la iteracion, se observa en la tabla 3-1. Las dimensiones correspondientes a la iteracion
1 son las sugeridas para simulacion en el artıculo [3]. A partir de la iteracion 2 las dimensiones
3.2 Coco-chanel 11
Figura 3-1: Dimensiones de la Coco-chanel.
w, g y d se dejan constantes debido a que no afectan notablemente el comportamiento de la
Coco-chanel. La distancia d entre los anillos que es de 1.4 mm debido a que es el ancho del
dielectrico en que se fabricara la Coco-chanel (aunque en este caso no se tuvo en cuenta este
material), mientras que el ancho w de los anillos y la separacion g de las terminaciones son
de 0.5 mm.
Para decidir que parametros variar se debe tener en cuenta el modo predominante de la
Coco-chanel en cada iteracion. Esta caracterıstica se refiere a si la Coco-chanel se compor-
ta predominantemente como un dipolo electrico o magnetico. Si el modo predominante es
electrico, se debe aumentar el modo magnetico para buscar que ambos modos sean proporcio-
nales. El analisis analogo se puede hacer para el caso en que el modo magnetico predomina.
Cuando el modo electrico predomina se deben cambiar las dimensiones de la siguiente ma-
nera:
Hacer mas grande el radio de los anillos con el objetivo de aumentar el modo magnetico.
Aumentar la distancia s entre los anillos de tal manera que disminuya el modo electrico.
Si se aumenta considerablemente el tamano de los anillos y su distancia s, se debe
aumentar tambien la longitud de las terminaciones con el objetivo de mantener el
comportamiento meta-resonante de la Coco-chanel.
En la ultima columna de la tabla 3-1 se indica cual es el modo predominante para cada
iteracion. Ademas, en la figura 3-2 se muestra el patron de radiacion de campo lejano
para las iteraciones 2, 5, 7 y 8 utilizando el corte correspondiente al campo electrico. Cada
una de estas iteraciones presenta un modo predominante electrico. En la grafica se puede
observar la evolucion del patron de campo lejano a medida que se varıan las dimensiones
de la Coco-chanel. Cuando aumentan las dimensiones de la Coco-chanel, la magnitud del
patron de radiacion tambien aumenta tal como se observa en las iteraciones 1, 2 y 5 en la
figura 3-2. Sin embargo, al aumentar el radio del anillo en la iteracion 6 se pasa de un modo
12 3 Diseno de las sondas
predominantemente electrico a uno magnetico como se consigna en la tabla 3-1. Esto quiere
decir que para conseguir un patron de radiacion tipo cardiode el radio de los anillos debe
estar en medio de los valores elegidos entre la iteracion 5 y 6. Iterando este valor dos veces
mas se consiguen las dimensiones de la Coco-chanel en resonancia, las cuales corresponden a
la iteracion 8 de la tabla 3-1. Su respectivo patron de radiacion de campo lejano se observa
en la figura 3-2 de color negro. La reflexion para el caso de patron cardiode en 180o es
de -108.1 dBV/m. Esta magnitud de reflexion es la menor en comparacion con las otras
iteraciones.
Tabla 3-1: Iteraciones de las dimensiones de la Coco-chanel
Iteracion w [mm] g [mm] d [mm] R [mm] l [mm] s [mm]Modo
predominante
1 0.05 0.05 0.5 1.7 3 2.4 Electrico
2 0.5 0.5 1.4 5 3 4 Electrico
3 0.5 0.5 1.4 8 3 6 Electrico
4 0.5 0.5 1.4 8 5 6 Electrico
5 0.5 0.5 1.4 8 9 6 Electrico
6 0.5 0.5 1.4 12 15 8 Magnetico
7 0.5 0.5 1.4 10 15 8 Electrico
8 0.5 0.5 1.4 10.45 15 8 Cardiode
(a)
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-165
-136.25
-107.5
-78.75
-50 dB
Simulación del patrón de campo lejano
para sintonizar la Coco-chanel en vacío
Iteración 2
Iteración 5
Iteración 7
Iteración 8
(b)
Figura 3-2: (a) Corte del plano utilizado en la grafica (b) donde se muestra el patron de
campo lejano para las iteraciones 2, 5, 7 y 8 de la tabla 3-1.
3.2 Coco-chanel 13
Coco-chanel real
La fabricacion de la Coco-chanel se realizara sobre el dielectrico de referencia RO3003 de
1.4 mm de espesor. La insercion de este material altera levemente el comportamiento de la
Coco-chanel debido a sus propiedades electricas. Esto tiene como efecto que las dimensiones
encontradas en el caso en vacıo no correspondan al caso de resonancia para el caso con
dielectrico. En efecto, en el caso en que se tiene en cuenta el dielectrico las dimensiones
de resonancia se muestran en la figura 3-3. En esta figura solo se observa un anillo debido
a que el dielectrico se superpone al otro. Teniendo en cuenta que en este caso aumenta la
permitividad de la Coco-chanel (y por lo tanto su acople electrico), es de esperarse que en
relacion al caso vacıo se deba disminuir la longitud de las terminaciones y aumentar el radio
de los anillos. Esto explica las dimensiones obtenidas en este caso.
Figura 3-3: Dimensiones de la Coco-chanel al tener en cuenta el dielectrico sobre el que
sera fabricada.
El patron de radiacion para la Coco-chanel con dielectrico se muestra en la figura 3-4. Para
esta grafica se toma el mismo plano de referencia que se observa en la figura 3-2 (a). En la
figura 3-4 se compara el patron de radiacion de la Coco-chanel con dielectrico y en vacıo.
Se observa una magnitud menor en el caso con dielectrico, esto se debe a las perdidas por el
material insertado. Sin embargo la reflexion en 180o en ambos casos difiere apenas por 1.1
dBV/m.
Como nota final vale aclarar que como se ha explicado en esta seccion, es posible cambiar
varias dimensiones de la Coco-chanel para obtener el comportamiento deseado de resonancia.
De esta manera, queda abierta la posibilidad de encontrar otras dimensiones para la Coco-
chanel que tambien permitan su resonancia a 1 GHz. Sin embargo para el presente trabajo
solo se considero el caso mostrado en la figura 3-3.
14 3 Diseno de las sondas
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-110
-97.5
-85
-72.5
-60 dB
Comparación del patrón de radiación cardiode
de la Coco-chanel en vacío y con dieléctrico
Patrón cardiode Coco-chanel con dieléctrico
Patrón cardiode Coco-chanel vacío
Figura 3-4: Comparacion del patron de radiacion tipo cardiode de la Coco-chanel en vacıo
y con dielectrico.
Sensibilidad de la Coco-chanel
Luego de tener el diseno de la Coco-chanel sintonizada a 1 GHz, se estudio su comporta-
miento variando la frecuencia. Se inicio con una variacion de 10 MHz. Como se observa en
la figura 3-5 (donde de nuevo, el plano de referencia es el mismo de la figura 3-2 (a)) en 990
MHz aparece un lobulo en 180o que altera el patron cardiode. La relacion de la reflexion
entre el patron de radiacion de campo lejano a 990 MHz y a 1 GHz en 180o es de 12.59
dBV/m. Este resultado indica que la Coco-chanel en esta escala es muy sensible y que su
resonancia funciona en un ancho de banda muy angosto, menor incluso a 10 MHz. Ademas,
se observa que para un leve cambio en la frecuencia de resonancia apareceran lobulos en el
patron de campo lejano afectando el comportamiento deseado. Esto se confirma al alejarse
mas de la frecuencia de resonancia. Por ejemplo, en 1.1 GHz (una variacion de 100 MHz
con respecto a la frecuencia de resonancia) se muestra el patron de campo lejano en la figura
3-5, allı se observa que el patron cardiode con respecto al caso de 1 GHz se pierde. Ademas
la reflexion en 180o es de -53.17 dBV/m, lo cual indica una relacion de 54.03 dBV/m en
comparacion con el caso de resonancia.
Por otro lado, una ventaja de la sensibilidad de la Coco-chanel es que es posible sintonizarla
en el ancho de banda de estudio cambiando el parametro de distancia horizontal s. Esto quiere
decir que al variar s se puede obtener el patron cardiode deseado en distintas frecuencias.
3.3 Dipolo electrico 15
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-110
-92.5
-75
-57.5
-40 dB
Patrón de campo lejano
1.1 GHz
990 MHz
1 GHz
Figura 3-5: Variacion del patron de campo lejano de la Coco-chanel en resonancia en un
ancho de banda angosto.
3.3. Dipolo electrico
La condicion de diseno para el dipolo electrico es que su tamano sea comparable con el de
la Coco-chanel. Teniendo en cuenta esto se tomo la dimension mas grande posible que en
este caso corresponde a la distancia paralela a las extremidades de la Coco-chanel desde el
extremo de un anillo al otro.
La longitud del dipolo electrico es de 21.5 mm como se muestra en la figura 3-6. El ancho
de la cinta es de 0.5 mm y el material sobre el que se va a fabricar es el mismo que en el
caso de la Coco-chanel: RO3003 de 1.4 mm de espesor.
Figura 3-6: Diseno del dipolo electrico.
16 3 Diseno de las sondas
Al simular el dipolo electrico se obtiene un patron de radiacion como el que se muestra en
la figura 3-7. En esta grafica se muestra el patron de radiacion para 990 MHz, 1 GHz y
1.1 GHz. Para este caso se observa que la sensibilidad no es notable a diferencia del caso de
la Coco-chanel. Por otro lado, la reflexion del dipolo electrico esta alrededor de -88 dBV/m.
Volviendo a la figura 3-5 en donde se muestra la sensibilidad de la Coco-chanel, es posible
ver en su figura de patron de radiacion que la reflexion para el caso de resonancia en 180 o es
menor a la presentada por el dipolo electrico. Sin embargo a medida que el patron cardiode
se pierde, la reflexion es mayor y entonces la reflexion del dipolo electrico es menor.
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180
°
-150°
-120°
-90°
-60°
-30°
-120
-111.25
-102.5
-93.75
-85 dB
Patrón de campo lejano del dipolo eléctrico
990 MHz
1 GHz
1.1 GHz
Figura 3-7: Patron de campo lejano del dipolo electrico a distintas frecuencias.
Finalmente, a diferencia del caso de la Coco-chanel, el dipolo electrico no requiere de una
conexion especial debido a que su funcionamiento no se ve alterado. En este caso basta con
soldar un alambre de unos cuantos milımetros en cada brazo de la antena.
4 Diseno y fabricacion de la conexion
para la Coco-chanel
Debido a su funcionamiento, no es posible conectar directamente la Coco-chanel a un anali-
zador de espectros. Utilizar un par de alambres en sus terminales alterarıa su acople electrico
y ademas podrıa causar un corto circuito entre estas. Por este motivo se debe proponer una
conexion que cumpla las siguientes caracterısticas:
El comportamiento de la Coco-chanel debe ser predominante independiente de la co-
nexion.
Las terminaciones de la Coco-chanel deben ver una impedancia de entrada suficiente-
mente grande como para evitar un corto circuito.
Teniendo en cuenta esto se propone utilizar una lınea de transmision tipo par trenzado. Esta
lınea de transmision se utiliza en aplicaciones como cableado telefonico debido a que ofrece
mejor inmunidad al ruido externo [7]. Esta caracterıstica satisface la primera condicion pro-
puesta para la conexion de la Coco-chanel. Por otro lado, el diseno de la lınea de transmision
depende del valor de la impedancia caracterıstica. Para ello se debe tener en cuenta la ecua-
cion 4-1 donde η0 es la impedancia caracterıstica del vacıo, εeff la permitividad efectiva del
medio (en este caso se aproxima a uno que corresponde a la permitividad relativa del aire),
D es la distancia entre los alambres de la lınea y d es el diametro de estos [8].
Z0 =η0
π ∗ √εeff∗ cosh−1(D/d) (4-1)
Para hacer un diseno aproximado de la lınea de transmision segun la ecuacion 4-1 se deben
tener en cuenta las siguientes observaciones:
El calibre del alambre a utilizar es 30 AWG. Esto equivale a un diametro de 0.255 mm.
La base de la lınea de transmision se fabricara utilizando la impresora 3D Makerbot
2X. El material que usa la impresora es plastico ABS. Inicialmente se supone que la
base sera lo suficientemente delgada como para no tener en cuenta su permitividad en
la ecuacion 4-1.
18 4 Diseno y fabricacion de la conexion para la Coco-chanel
La distancia D entre los alambres en la ecuacion 4-1 indica que a mayor distancia,
mayor sera la impedancia caracterıstica. Sin embargo esta distancia tambien afecta
el efecto de inmunidad al ruido externo ademas de aumentar las perdidas debido al
aumento de dispersion de campo.
La longitud efectiva de la lınea de transmision debe ser tal que esta funcione como un
transformador lambda cuartos, de tal manera que en resonancia la Coco-chanel vea
una impedancia de entrada real.
Teniendo en cuenta las condiciones enunciadas anteriormente, se propone utilizar la lınea de
transmision que se muestra en la figura 4-1.
Figura 4-1: Diseno de la lınea de transmision par trenzado.
4.1. Simulacion de la lınea de transmision
Para la simulacion de la lınea de transmision hay dos limitantes importantes: En primer
lugar CST no cuenta con las propiedades dielectricas del ABS, en segundo lugar, el equipo
usado para simulacion no permite simular la base disenada debido al que su mallado es muy
fino. Por estas razones se realizo la simulacion de un modelo simplificado el cual consiste
en los alambres trenzados en vacıo. El objetivo de esta simulacion es calcular la impedancia
caracterıstica aproximada utilizando el diagrama de Smith. El calculo se hace siguiendo la
teorıa indicada en el apendice C del libro [9] en donde se demuestra que la impedancia
caracterıstica de una lınea de transmision es aproximadamente la media geometrica de las
impedancias que cortan el eje real del diagrama. En el caso de la simulacion se utilizo un
ancho de banda de simulacion de 850 MHz a 1.2 GHz. Los cortes en el eje real se dan
en 868.98 MHz y en 1.03 GHz como se observa en la figura 4-2. Teniendo en cuenta la
definicion anterior, la impedancia caracterıstica de esta lınea de transmision es:
Z0 ≈ 50 ∗√
1,095 ∗ 34,620 = 305,7Ω
4.2 Medicion de la lınea de transmision 19
Por otro lado, la simulacion muestra que la lınea de transmision se comporta como trans-
formador lambda cuartos en 1.03 GHz en donde la impedancia de entrada se acerca a un
valor normalizado de 1. Asimismo, el diagrama de Smith muestra que a 870 MHz la impe-
dancia de entrada normalizada es aproximadamente igual a 34. Esto quiere decir que a esta
frecuencia el desacople de la lınea de transmision es significativo y por ende la mayor parte
de potencia sera reflejada.
Figura 4-2: Diagrama de Smith de la impedancia de la lınea de transmision disenada.
4.2. Medicion de la lınea de transmision
El prototipo de la lınea de transmision disenada se muestra en la figura4-3. Con el objetivo
de medir la impedancia caracterıstica utilizando de nuevo el metodo sugerido en [9], se
soldo a cada extremo una conexion SMA de tal manera que en un extremo se conecte un
analizador de espectros y al otro una impedancia de 50 Ω. El diagrama de Smith obtenido
se muestra en la figura 4-4. La figura 4-4 (a) es el diagrama medido, en este se observa
que la circunferencia esta desplazada hacia abajo. Esto indica que hay un efecto capacitivo
predominante en la lınea de transmision. El efecto capacitivo se debe principalmente a las
espiras del par trenzado y al plastico de la base que se encuentra en medio de cada una
de estas. Otra posible causa de este efecto es la soldadura de las conexiones SMA en las
terminales de la lınea de transmision.
20 4 Diseno y fabricacion de la conexion para la Coco-chanel
Figura 4-3: Prototipo de la lınea de transmision disenada.
Para realizar un calculo mas preciso de la impedancia caracterıstica de la lınea de transmision
es preciso centrar la circunferencia en el diagrama de Smith. Al procesar los datos se tuvo
que correr la circunferencia una impedancia normalizada de 0.3j Ω (que equivale a 15 Ω).
Ası se obtuvo el diagrama mostrado en la figura 4-4 (b). De esta manera, la impedancia
caracterıstica en este caso es aproximadamente:
Z0 ≈ 50 ∗√
1,181 ∗ 6,618 = 139,78 Ω
La impedancia obtenida tiene un valor menor a la mitad de la impedancia calculada en
simulacion. Esto indica que el plastico de la base tiene una influencia significativa en el
comportamiento de la lınea de transmision el cual se debe especialmente a la presencia del
ABS en medio medio de las espiras. Tambien es de esperarse que las perdidas de la lınea de
transmision aumenten como efecto de incluir la base debido a la dispersion de campo. Esto
explica la diferencia del radio del diagrama de Smith de simulacion y el medido.
Otra diferencia importante entre la lınea de transmision medida con respecto a la simulada
son las frecuencias para las cuales funciona como transformador lambda cuartos. En el caso de
medicion, si se tiene en cuenta el caso real en la figura 4-4 (a) se observa que el transformador
lambda cuartos funciona para una frecuencia de 1.1 GHz. Asimismo, en el mismo diagrama
se observa que a 924 MHz la impedancia de entrada es grande y por lo tanto el desacople
de la lınea de transmision a esta frecuencia es significativo. Este analisis indica que al usar
esta lınea de transmision en el rango de estudio, el acople no sera el mejor y que en la mayor
parte del rango la reflexion sera significativa. Esto indica una impedancia alta con respecto
a 50 Ω en las terminales de la lınea de transmision.
Finalmente, es evidente que el desconocimiento de las propiedades electricas de la base del
par trenzado, sumado a la limitacion de la maquina de simulacion, no permitio predecir ade-
cuadamente el comportamiento de la lınea de transmision. En efecto, los resultados sugieren
que las lıneas de transmision de la simulacion y fabricada son diferentes. Aun ası, el resultado
de impedancia caracterıstica para la lınea de transmision construida sugiere ser adecuada
para su aplicacion como conexion de la Coco-chanel. Esto es debido a que la impedancia de
entrada que verıa la Coco-chanel con la lınea de transmision es lo suficientemente grande
como para evitar un corto circuito. Esto cumple la segunda condicion propuesta inicialmente.
4.2 Medicion de la lınea de transmision 21
(a)
(b)
Figura 4-4: Diagrama de Smith obtenido de las medidas para el par trenzado fabricao.
(a) Diagrama obtenido incluyendo desfase capacitivo, (b) Diagrama procesado
para quitar el efecto capacitivo del par trenzado.
5 Resultados
A lo largo de este capıtulo la Coco-chanel y el dipolo electrico seran referidos tambien como
sondas. En la primera seccion de este capıtulo se mostrara el resultado de la fabricacion de
ambas sondas. Posteriormente se mostraran resultados tanto de simulacion como de medidas
para los calculos de reflexion, de area efectiva y de factor de antena. Para ello se mostrara
el diseno y fabricacion de la antena bajo test (AUT) que se utilizo como radiador para
las pruebas de reflexion. Finalmente, en el analisis se comparan de los resultados de simu-
lacion con las mediciones. Asimismo se evaluan los resultados de reflexion y transmision.
Estos resultados permiten indicar ventajas y desventajas de la Coco-chanel frente al dipolo
electrico.
5.1. Fabricacion de las sondas
La fabricacion se hizo en el laboratorio de comunicaciones de la Universidad Nacional de
Colombia(CMUN), en donde se cuenta con una camara oscura, el dielectrico RO3003 y los
quımicos precisos para fabricar circuitos impresos. El archivo de fabricacion (de formato
gerber) se exporto directamente de CST de tal manera que se garantizan las dimensiones
utilizadas en las simulaciones. En el caso de la Coco-chanel se decidio fabricar 4 sondas. En
cuanto al dipolo electrico se fabricaron dos.
El material de referencia RO3003 se compone por cobre en una superficie y un dielectrico
de espesor 1.4 mm por la otra superficie. El proceso de fabricacion consiste en imprimir las
sodas en este material. Para ello, se utiliza una pelıcula delgada en la que se imprime el
contorno de las sondas. Esta pelıcula es sensible a la luz, por eso la impresion se debe hacer
en la camara oscura. Una vez la pelıcula tiene impresas las formas de las sondas, se pone
sobre el cobre del material. El resultado de este paso se observa en la figura 5-1 (a), allı
se observa la pelıcula (de color morado). Posteriormente se utilizan quımicos que corroen el
cobre alrededor de los sectores donde se encuentran la pelıcula. Esto da como resultado una
placa con las 4 Coco-chanel y los dipolos. Al recordar cada anillo de la Coco-chanel y los
dipolos se obtienen los prototipos que se muestran en la figura 5-1 (b). Como se observa, se
construyo cada anillo por separado de tal manera que sea posible sintonizar la Coco-chanel
en caso de ser necesario. Finalmente, la imagen 5-1 (c) permite tener nocion de la escala de
las sondas construidas.
Por otro lado, con el objetivo de facilitar las pruebas para realizar medidas, se fabricaron
bases que permiten sujetar las sondas a una altura de 13.2 cm. Estas bases se muestran en la
5.1 Fabricacion de las sondas 23
figura 5-2. Ambas se fabricaron usando la impresora 3D MakerBot 2X la cual se encuentra
disponible en el CMUN.
(a) (b)
(c)
Figura 5-1: Fabricacion de las sondas en el CMUN. (a) Primer paso de fabricacion: Circuitos
impresos con pelıcula delgada, (b) Resultado al eliminar el cobre excedente de
la tarjeta y separar los anillos de la Coco-chanel y los dipolos electricos, (c)
Tamano de un anillo de la Coco-chanel y un dipolo electrico.
Figura 5-2: Bases utilizadas para las pruebas con las sondas.
24 5 Resultados
5.2. Simulaciones y medidas
5.2.1. Antena bajo prueba (AUT)
Como se explico en la seccion 2.2 el calculo de reflexion se hace sustrayendo los parametros
de reflexion de la AUT aislada con los parametros de reflexion de la AUT al interactuar con
una de las sondas. Por este motivo es importante que la antena que se disene como AUT
tenga un ancho de banda que cubra adecuado en el rango de frecuencia de estudio. Con el
objetivo de cumplir esta condicion se propone disenar y fabricar una antena tipo discono.
Este tipo de antena es una version de la antena biconica siendo que normalmente en uno de
los extremos se ubica un cono y en el otra un disco. Sin embargo para este trabajo se utilizo
una version simplificada que consiste en un monopolo acompanado por cuatro alambres en
la base (siendo que la base y el monopolo estan aislados). El modelo de la antena se puede
observar en la figura 5-3.
En el diseno escogido el dipolo tiene un comportamiento predominante. Por este motivo
la longitud inicial del monopolo se tomo como lambda cuartos la frecuencia de resonancia
(que en este caso es de 1 GHz). En cuanto a la longitud de los alambres de la base se
tomo como referencia inicial una longitud igual a 0.7 veces lambda cuartos. Este valor es el
indicado normalmente en la literatura [10] para un discono. A partir de los valores iniciales, y
utilizando CST, se sintonizo la antena para que resonara a 1 GHz. Las dimensiones obtenidas
en simulacion se muestran en la figura 5-3 (a). Teniendo en cuenta estas dimensiones se
fabrico el discono como se muestra en la figura 5-3 (b). El resultado de parametros de
reflexion para ambos casos se muestra en la figura 5-4. De color negro esta la simulacion
mientras que en azul se muestra la medida. En este ultimo caso se presenta un desfase con
respecto a la simulacion. Esto se debe al medio en que se realizo la toma de datos. Idealmente
este tipo de experimentos se hacen en una camara anecoica, sin embargo para este trabajo
no se dispone de esta camara. Por este motivo las medidas se hicieron en el laboratorio de
comunicaciones. En este caso, se busco garantizar un radio de mınimo 50 cm sin objetos
alrededor, sin embargo el soporte de la antena, el analizador de espectro, y especialmente la
presencia de cuerpos, influencian en los resultados obtenidos. Esto explica el desfase que se
observa en la figura 5-4.
A pesar del desfase, la antena fabricada presenta resonancia cercana a 1 GHz. Por otro lado,
si se considera que a partir de -10 dB se entra en resonancia, el ancho de banda de la antena
en la simulacion es de aproximadamente 140 MHz mientras que en el caso del prototipo es
de aproximadamente 147 MHz. Este resultado tambien demuestra una buena aproximacion
entre la antena construida en relacion con la simulada, y ademas indica que este discono es
apropiado para las pruebas en el rango de frecuencia de estudio.
Finalmente, para realizar las pruebas con la AUT, se construyo una mesa que permitiera
sujetar la antena de tal manera que esta no se moviera. La mesa se imprimio en 3D en el
laboratorio de comunicaciones utilizando la impresora MakerBot 2X. Esta base se muestra
5.2 Simulaciones y medidas 25
en la figura 5-5.
(a) (b)
Figura 5-3: Antena bajo prueba, (a) Diseno en CST con medidas en resonancia a 1 GHz,
(b) Prototipo
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−20
−30
−10
−35
−25
−15
−5
Frecuencia [GHz]
|S1
1| [d
B]
Medidas
Simulación
Simulación de la magnitud de reflexión del la AUT
Figura 5-4: Parametros S11 del discono para el caso de simulacion y medicion.
26 5 Resultados
Figura 5-5: Base construida para la AUT
5.2.2. Efecto de las sondas en la antena bajo prueba
Antes de realizar las pruebas de reflexion, se soldaron las conexiones a su respectiva sonda.
Para el caso del dipolo es evidente que los alambres se ubican en el centro. Sin embargo para
la Coco-chanel, la lınea de transmision podrıa soldarse en distintas posiciones. En este caso
la conexion se hizo como se muestre en la figura 5-6. Allı se observa una ilustracion tomada
de CST de la Coco-chanel con la lınea de transmision terminada en un puerto de 50 Ω. Al
hacer zoom en la Coco-chanel se muestra la lınea de transmision conectada en la interseccion
de la terminal con el anillo.
Figura 5-6: Conexion de la Coco-chanel con la lınea de transmision.
Por otro lado, los montajes para las medidas se muestran en la figura 5-7. La distancia entre
la AUT y las sondas en cada caso es de 4.5 cm. En el caso de la Coco-chanel en la figura 5-7
(b) es importante tener en cuenta que solo se observa un anillo debido a que el dielectrico
cubre el segundo. Adicionalmente, la conexion de la lınea de transmision tiene como efecto
que la sintonizacion de la Coco-chanel cambia. Para garantizar el funcionamiento correcto,
se midieron los parametros de reflexion de de la AUT enfrentada a la Coco-chanel tanto sin
lınea de transmision como con esta. El unico parametro que se puede cambiar para sintonizar
la Coco-chanel es la distancia horizontal s. En el caso sin conexion se usa s igual a 6 mm que
5.2 Simulaciones y medidas 27
es el valor propuesto en el diseno. Posteriormente, cuando se conecta la lınea de transmision
se observo que los resultados son identicos al caso sin conexion cuando la distancia s es igual
a 2 mm. Por este motivo se utiliza este valor como se muestra en la figura 5-7 (b). Estos
mismos montajes fueron usados en las simulaciones.
Las sondas se alinearon con la base del discono debido a que la directividad de la AUT es
maxima en este punto. Esto aumenta la interaccion entre AUT y sondas. Esto facilita el
calculo de la reflexion.
(a)
(b) (c)
Figura 5-7: Montaje para pruebas de reflexion de la AUT, (a)AUT aislada, (b) AUT en-
frentada con la Coco-chanel, (c) AUT enfrentada con el dipolo.
28 5 Resultados
Calculo de reflexion de las sondas
En primer lugar se realizaron simulaciones para cada uno de los tres casos mostrados en
la figura 5-7. Los parametros S11 se muestran en la figura 5-8 como lıneas punteadas.
Asimismo, los resultados de las mediciones se muestran como lıneas continuas. En cuanto
a las simulaciones, los resultados muestran tres graficas muy parecidas. Esto indica una
reflexion baja e incluso que la Coco-chanel y el dipolo electrico se comportan de manera
similar. En cuanto a las medidas, sı hay una diferencia notable. En primer lugar se observa
el desfase de las curvas (que como se dijo anteriormente se debe al lugar donde se realizaron
las mediciones). Ademas de esto, nuevamente se observa que las tres curvas son cercanas,
lo cual indica una reflexion baja. Por otro lado, en 1.06 GHz la Coco-chanel presenta un
pequeno salto. Este comportamiento no aparece en la simulacion y sera presentado con mas
detalle en la seccion 6.2. La magnitud de este pico, indica que la Coco-chanel puede ser
utilizada para aumentar el ancho de banda de resonancia de una antena. Sin embargo en
este caso de estudio, este efecto no es significativo.
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−20
−30
−10
−35
−25
−15
−5
Frecuencia [GHz]
|S1
1| [d
B]
Simulación AUT
Simulación AUT vs dipolo
Simulación AUT vs Coco chanel
Medida AUT
Medida AUT vs dipolo
Medida AUT vs Coco−chanel
Magnitud de parámetros S11
Figura 5-8: Simulacion y medidas de los parametros S11 de la AUT aislada y al interactuar
con las sondas.
Luego de tener los parametros S11 de las sondas, fue posible calcular su respectiva reflexion
para los casos de simulacion y de medidas. El resultado se muestra en la figura 5-9. De nuevo,
los resultados de simulacion y medicion son cercanos. Sin embargo, en algunos intervalos
hay incongruencias con respecto a cual sonda presenta menor reflexion. Aun ası, la figura
5-9 muestra que la tendencia es que la Coco-chanel presente menor reflexion siendo que
la diferencia maxima entre la reflexion de las sondas es de aproximadamente -20 dB. Sin
embargo, en la mayor parte del rango de frecuencia estudiada, ambas reflexiones tienen
5.2 Simulaciones y medidas 29
valores muy cercanos.
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−60
−40
−70
−50
−30
−65
−55
−45
−35
−25
Frecuencia [GHz]
|Re
fle
xió
n| [d
B]
Medidas Coco chanel
Medidas Dipolo
Simulación Coco chanel
Simulación Dipolo
Magnitud de la reflexión de las sondas
Figura 5-9: Simulacion y medidas de la reflexion de las sondas
5.2.3. Parametros de transmision
Para esta prueba se utilizo el montaje que se muestra en la figura 5-10. En esta figura se
muestra el caso de la Coco-chanel. Sin embargo para el dipolo se utiliza el mismo montaje.
La distancia entre ambas sondas es de 30 cm tal que se garantice que la radiacion entre las
sondas sea en campo lejano. Por otro lado, como se explico en la seccion 2.3, el objetivo de
esta prueba es utilizar dos sondas identicas de tal manera que el resultados de los parametros
de transmision permita calcular la ganancia de la respectiva sonda usando la ecuacion de
Friis.
La grafica de las medidas se muestran en la figura 5-11. Los resultados de la Coco-chanel
se muestran de color verde. Se observa un resultado aceptable siendo que las figuras de
simulacion y medidas siguen un patron similar aunque su magnitud se diferencia por unos
cuantos decibelios. Ya en el caso del dipolo (lıneas de color rojo), las medidas difieren de la
simulacion aunque en terminos absolutos su magnitud es cercana.
En efecto, uno de los problemas de esta prueba es la escala a la que se desea medir. Los
valores son pequenos y por este motivo los resultados son susceptibles al ruido externo. Esta
es una fuente de error notable en los resultados. Sin embargo las medidas realizadas indican
un patron de comportamiento el cual permite hacer el estudio de las sondas. Esto se muestra
en las siguientes secciones en donde se estudia el area efectiva y el factor de antena de las
sondas.
30 5 Resultados
Figura 5-10: Montaje para las pruebas de transmision con la Coco-chanel
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−80
−60
−90
−70
−50
−85
−75
−65
−55
−45
Frecuencia [GHz]
|S21| [d
B]
Medidas Coco−chanel a Coco−chanel
Medidas dipolo a dipolo
Simulación Coco−chanel a Coco−chanel
Simulacion dipolo a dipolo
Magnitud de parámetros de transmisión
Figura 5-11: Parametros de reflexion de las sondas.
Calculo del area efectiva de las sondas
Al realizar el calculo del area efectiva en el rango de frecuencia de estudio se obtiene la
grafica de la figura 5-12. Tal como se indico en la seccion 2.3.1 esta grafica es proporcional
a la de los parametros de transmision.
El resultado en simulacion indica que la Coco-chanel es mas sensible que el dipolo en el
rango de estudio. Este resultado es esperado debido a que el area fısica de la Coco-chanel es
mayor que el del dipolo. Por otro lado, las medidas presentan una incongruencia en el rango
de 930 MHz a 1 GHz. Al observar estas graficas(lıneas continuas) aparece que el dipolo
es mas sensible que la Coco-chanel. Sin embargo, el tamano de las sondas y el resultado
de las simulaciones sugieren que las medidas para el dipolo en este rango de frecuencia es
predominantemente ruido.
5.3 Analisis 31
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−40
−50
−54
−52
−48
−46
−44
−42
−38
−36
−34
Frecuencia [GHz]
Ae
[dB
m2]
Medidas Coco−chanelMedidas dipoloSimulación Coco−chanelSimulación dipolo
Área efectiva de las sondas
Figura 5-12: Area efectiva de las sondas.
Calculo del factor de antena de las sondas
Las curvas de factor de antena se muestran en la figura5-13. Los resultados de simulacion
indican que la Coco-chanel es mas sensible que el dipolo electrico. Esto se debe a que un
factor de antena menor, indica mayor ganancia de voltaje en las terminales de la sonda. Sin
embargo esto no fue posible confirmarlo por medio de mediciones debido a que el calculo del
factor de antena depende de la impedancia de la respectiva sonda. En este caso, para calcular
la impedancia se deben medir los parametros de reflexion. Estos parametros presentan alta
sensibilidad en el caso de las sondas debido a su tamano. Como las medidas se hacen en
el laboratorio, estas representan una fuente de error significativa a la hora de calcular la
impedancia y utilizar este parametro en la ecuacion de factor de antena. Esto es lo que se
observa en las lıneas continuas de la figura 5-13. Este resultado se aleja del obtenido en el
laboratorio y es incongruente con el comportamiento que se espera.
5.3. Analisis
El estudio realizado tanto en simulaciones como al tomar medidas tiene limitaciones impor-
tantes. En el caso de la simulacion, el resultado de la Coco-chanel no cuenta con la lınea de
transmision real debido a que la maquina usada no soporta el mallado de esta figura. En
cuanto a las medidas, el ruido del medio en que se hicieron las pruebas afecto los resultados,
especialmente en el caso de la impedancia para el factor de antena. Sin embargo, a excepcion
de las medidas de factor de antena, los resultados muestran una tendencia. En cuanto a la
reflexion, la Coco-chanel tiene un valor levemente menor que el dipolo electrico en la mayor
parte del ancho de banda estudiado. A pesar de esto, ambas sondas presentan una reflexion
32 5 Resultados
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
200
400
600
800
100
300
500
700
Frecuencia [GHz]
FA
[d
B1
/m]
Medida Coco−chanel
Medida dipolo
simulación Coco−chanel
Simulación dipolo
Factor de antena de las sondas
Figura 5-13: Factor de antena de las sondas.
baja siendo que esta siempre es menor a -30 dB. Esto indica que aunque la Coco-chanel
refleja menos potencia, no es una ventaja significativa frente al dipolo electrico.
Por otro lado, los parametros de transmision indican que la Coco-chanel es mas sensible que
el dipolo electrico. Evidentemente, al estudiar el area efectiva se observa un valor mayor de la
Coco-chanel. Esto no es totalmente concluyente debido a que el area fısica de la Coco-chanel
es mayor. Aun ası, es posible confirmar esto al estudiar el factor de antena. Los calculos
realizados utilizando las simulaciones confirman que la Coco-chanel es mas sensible como se
observa en la figura 5-13. En este caso la diferencia entre el factor de antena de la Coco-
chanel y del dipolo es de cientos de decibelios. Esto sugiere que en efecto la Coco-chanel
presenta una ventaja notable en cuanto a sensibilidad. Sin embargo debido al problema de
medicion en este punto, queda pendiente comprobar esta afirmacion experimentalmente.
Finalmente, la fabricacion de los anillos de la Coco-chanel no es exacta. Al conmutar los
anillos para medir varias Coco-chanel, se obtuvieron resultados distintos. En esta seccion
se utilizaron las Coco-chanel cuyo comportamiento fue el mas cercano. Esto demuestra que
el metodo de fabricacion usado sigue presentando imperfecciones para la sintonizacion pro-
puesta. Ademas de esto, la Coco-chanel presenta problemas de robustez debido a la conexion
propuesta. Esto no sucede con el dipolo electrico que apenas requiere de un par de alambres
para su medicion.
6 Conclusiones y trabajo a futuro
6.1. Conclusiones
A pesar del patron cardiode de la Coco-chanel, la reflexion de esta sonda no es signifi-
cativamente menor a la del dipolo electrico. Los resultados mostraron un valor menor
a -30 dB en ambos casos, lo cual sugiere que la reflexion es aproximadamente igual
para las sondas.
Los resultados de simulacion de factor de antena y area efectiva sugieren que la Coco-
chanel presenta una sensibilidad notablemente mayor que la del dipolo electrico. Aun-
que esta es una ventaja a favor de la Coco-chanel, estos resultados se deben comprobar
experimentalmente.
El diseno de la conexion para la Coco-chanel fue limitado debido a que su evaluacion
fue incompleta. Esto llevo a que el diseno propuesta no fuera eficiente en terminos de
robustez. En ese sentido, el dipolo presenta una ventaja siendo que necesita de una
conexion simple como lo son un par de alambres.
Finalmente, no se encontro una ventaja significativa en el caso de estudio propuesto,
que sustente la favorabilidad de la Coco-chanel frente al dipolo electrico para su uso
como sensor de campo electrico. Sin embargo esto no quiere decir que no sea posible
usar la Coco-chanel para tal fin. Es necesario evaluar con mayor cuidado factores como
el diseno de la conexion y la toma de medidas de parametros de los transmision.
Esto podrıa hacer la Coco-chanel robusta y ademas se podrıa confirmar su ventaja de
sensibilidad frente al dipolo electrico.
6.2. Recomendaciones y trabajo a futuro
Recomendaciones
En primer lugar, se recomienda evaluar otras posibles conexiones para la Coco-chanel. Si
bien la teorıa sugiere que el par trenzado es el tipo de lınea de transmision adecuada. Es
preciso disenar una lınea de transmision robusta. Para este diseno se debe contar con las
herramientas adecuadas de simulacion. Trabajos anteriores en el CMUN han caracterizado el
34 6 Conclusiones y trabajo a futuro
plastico ABS con el que se fabrican las impresiones 3D. Con esto y un equipo con suficiente
capacidad, es posible disenar con mayor cuidado esta conexion.
Por otro lado, para las mediciones de parametros de transmision, se sugiere utilizar un
amplificador con el objetivo de disminuir el problema del ruido en las mediciones. Esto
permitirıa verificar las medidas de factor de antena y concluir de forma veraz si la Coco-chanel
presenta mayor sensibilidad en relacion al dipolo electrico como sugieren las simulaciones
mostradas en este trabajo.
Trabajo a futuro
Ademas del estudio de la Coco-chanel como posible sensor de campo electrico, se sugiere es-
tudiar su uso para aumentar el ancho de banda de resonancia de una antena. Esto en funcion
de los resultados obtenidos al medir los parametros de reflexion de la AUT interactuando
con la Coco-chanel variando su distancia horizontal s. El montaje de esta prueba se muestra
en la figura6-1. En esta prueba se utilizo la Coco-chanel sin lınea de transmision. El objetivo
de variar su distancia horizontal era sintonizar la partıcula. Al realizar esto se observo que
en los parametros de reflexion de la AUT aparece otro pico de resonancia como se muestra
en las figuras 6-2 (a) y (b). La magnitud de este efecto depende de la sintonizacion de la
Coco-chanel. En la figura 6-2 (a) s es igual a 3 mm, mientras que en la figura (b) es igual
a 6 mm. A medida que los anillos se acercan el efecto es mayor.
Este mismo efecto se puede observar levemente en las graficas de reflexion del capıtulo 5.2.2
para el caso de la Coco-chanel.
Figura 6-1: Montaje de las pruebas para el trabajo a futuro.
6.2 Recomendaciones y trabajo a futuro 35
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−40
−20
−50
−30
−10
−45
−35
−25
−15
−5
Frecuencia [GHz]
|S1
1| [d
B]
Magnitud S11 AUT vs Coco−chanel (s = 3 mm)
(a)
10.9 1.10.92 0.94 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 1.08
−40
−20
−30
−10
−45
−35
−25
−15
−5
Frecuencia [GHz]
|S1
1| [d
B]
Magnitud S11 AUT vs Coco−chanel (s = 6 mm)
(b)
Figura 6-2: (a) Resultados cuando la distancia horizontal s es igual a 3 mm, (b) Resultados
cuando la distancia horizontal s es igual a 6 mm.
Bibliografıa
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[10] electronics notes. Discone antenna. https : //www.electronics −notes.com/articles/antennas− propagation/discone− antenna/discone− basics.php,En lınea; Revisado el 5 de mayo de 2019.
