Monitoring performance areas through performance indicators.

El siguiente parámetro a medir es la ganancia de las antenas. Para estas mediciones se utiliza el analizador de redes vectorial HP8510C cuya banda de operación es de 45 MHz a 50 GHz. Para ello se calibra el analizador de redes en el intervalo de 0.5 a 6 GHz con 801 puntos, empleando la técnica SOLT “Full Two Port” y estándares de 3.5 mm.

Cabe mencionar que la calibración utilizada para medir la ganancia es la misma que la utilizada para obtener las pérdidas por retorno (S11 y S22), solo que en la

medición de ganancia los parámetros de interés son los coeficientes de transmisión (S12

y S21).

Existen varias opciones para determinar la ganancia de las antenas. En la primera de ellas se emplea una antena patrón la cual se conecta al puerto 1 del analizador de redes o a un generador de señales. Es necesario que la antena patrón este perfectamente caracterizada y se conozca su ganancia en todo el ancho de banda de medición. Por otro lado, la antena bajo prueba se conecta en el puerto 2 del analizador de redes o a un analizador de espectros. Calculando las pérdidas por propagación correspondientes a la distancia y la frecuencia de la medición, con la ganancia de la antena patrón y el valor del parámetro S21 medido del sistema, se

determina la ganancia de la antena bajo prueba. Otra opción, que es similar a la anterior, es la de medir dos antenas idénticas en vez de utilizar la antena patrón, se realizan los cálculos de manera similar, pero el resultado en este caso se debe dividir entre 2, puesto que en este método se supone que las dos antenas tienen la misma ganancia.

Una tercera opción que se considera la más precisa es mediante el método de tres antenas (Medina Monroy, 2004). En este método se plantea un sistema de ecuaciones, se efectúan tres mediciones del parámetro de transmisión y se realiza la corrección de las pérdidas por propagación para obtener las tres incógnitas que son las ganancias correspondientes a cada antena G1, G2 y G3. La primera medición se realiza

entre las antenas 1 y 2 (M12), la segunda medición se efectúa entre las antenas 1 y 3

(M13) y la última medición se hace entre las antenas 2 y 3 (M23). El sistema de

ecuaciones a resolver se logra de la matriz de 3x3 dada en la ecuación (26).

[ ] [ ] [ ] ( 26) Las pérdidas por propagación ( ), se obtienen con la ecuación

[ ] [( ) ] (

27) donde, D es la distancia entre las dos antenas expresada en metros y es la longitud de onda en el espacio libre.

Se puede notar que las pérdidas por propagación se encuentran en función de la distancia y la longitud de onda o su frecuencia. Para efectuar las mediciones de ganancia, se colocan las antenas a una distancia de 0.8 metros, la cual es necesaria para cumplir con el requisito de medición en campo lejano. Además a esta distancia se calculan las pérdidas por propagación en función de la frecuencia. Es decir que se obtiene un valor de para cada uno de los 801 puntos de frecuencia medidos. Posteriormente se restan las pérdidas a los parámetros obtenidos en dB de las tres mediciones ( , y ). Con los valores anteriores se resuelve la ecuación (26) y se calcula la ganancia de cada una de las tres antenas ( , y ) .

Debido a que para poder realizar las mediciones de ganancia de las antenas y arreglos construidos, se utiliza el método de tres antenas, se emplean dos antenas Vivaldi antipodal de banda ancha que funcionan de manera adecuada en la banda de operación de 2.4 a 2.5 GHz, para completar las tres antenas del método. Como la antena 1 se tiene a la Vivaldi 1, como la antena 2 la Vivaldi 2 y como la antena 3 todas las antenas y arreglos desarrollados en este trabajo. En la Figura 72 se muestra el analizador de redes HP8510C con la antena Vivaldi antipodal 1 y el arreglo de antenas de cerámica como un ejemplo del montaje de las antenas.

Figura 72. Medición de la ganancia de un arreglo de antenas.

La primera antena bajo prueba fue la antena F invertida, cuyos resultados de la medición de ganancia se presentan en la Figura 73, comparados con los resultados teóricos obtenidos del análisis electromagnético AEM. La ganancia de la antena F invertida se encuentra ligeramente desplazada de los resultados del AEM, al tener la máxima ganancia en 2.6 GHz. Se puede observar que el comportamiento de la ganancia dentro de la banda de 2.4 GHz son menores entre 2 y 4 dB que los resultados del análisis EM. La diferencia se atribuye a las pérdidas de los conectores SMA no considerados en el análisis EM.

Figura 73. Ganancia medida de la antena F invertida, comparada con la del análisis EM.

La siguiente medición de ganancia corresponde al arreglo de antenas de cerámica. En la Figura 74 se muestran los resultados obtenidos de las mediciones de ganancia, en la cual se puede apreciar como la ganancia se encuentra desplazada teniendo una ganancia máxima de -2 dB y presentando una ganancia menor a -5 dB en la banda de frecuencia requerida de 2.4 a 2.5GHz. Cabe mencionar que en este caso no se muestra el comportamiento teórico debido a que las antenas son comerciales.

De manera similar a las anteriores, se midió el arreglo de antenas F-Meander. Los resultados obtenidos del comportamiento de la ganancia medida se muestran en la Figura 75, comparados con los teóricos del análisis EM. Se puede observar en esta figura que la ganancia se encuentra desplazada en frecuencia, pero se encuentra bastante cercana a la obtenida del análisis EM. En la banda de 2.4 GHz se lograron valores de ganancia menores a -3 dB, mostrando diferencias entre 0 a 4 dB en comparación con los resultados del análisis EM, y coincidiendo a la frecuencia de 2.52GHz.

Figura 75. Ganancia medida de la antena central del arreglo F-Meander, comparada con la obtenida del análisis EM.

Por último, se realiza la medición de la ganancia para el arreglo de antenas F invertida. En la Figura 76 se muestran los resultados de la medición y su comparación con los resultados teóricos obtenidos del análisis EM. En esta figura, se puede notar como la ganancia medida presenta diferencias entre 3 y 4 dB, en comparación con los resultados teóricos. Es importante resaltar que la antena F invertida mostró mayor ganancia que las antenas de cerámica y que la F-Meander, sin embargo, es la de mayor tamaño.

Figura 76. Ganancia medida del arreglo de antenas F invertida, comparada con la obtenida del análisis EM.