Miniaturización con metamaterial de una antena
PIFA de triple banda para comunicación Wi-Fi
Miniaturization with Metamaterial of a Triple Band PIFA Antenna for Wi-Fi
Communication
Axel Hemsy
#*α1
, Juan E. Ise
#2
, Fernando A. Miranda Bonomi
#
, Miguel A. Cabrera
#
, Mariano Fagre
#α
#
Laboratorio de Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias Exactas e Ingeniería, Universidad Nacional de Tucumán
Av. Independencia 1800, Tucumán (4000), Argentina
1
ahemsy@herrera.unt.edu.ar
2
jise@herrera.unt.edu.ar
*
Laboratorio de Dieléctricos, Facultad de Ciencias Exactas e Ingeniería, Universidad Nacional de Tucumán
Av. Independencia 1800, Tucumán (4000), Argentina
α
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)
Tucumán (4000), Argentina
Resumen— En este trabajo se diseñó y modeló una antena F
invertida plana (PIFA) de triple banda en las frecuencias de
WiFi no licenciadas (2.4, 5 y 6 GHz). En la propuesta realizada
se utilizó una celda unitaria de metamaterial que se replicó en
el plano de tierra obteniendo una reducción en el tamaño de la
antena con respecto a otras ya publicadas. La geometría de la
celda se basa en la de un fractal de Minkowski. En el parche se
realizó una ranura en forma de J que permitió ajustar las
frecuencias de resonancias a las de WiFi. Se obtuvo una
eficiencia de radiación del orden del 23% para la banda de 2.4
GHz, superior al 74% en la banda de 5 GHz y del 96% en la
banda de 6 GHz.
Palabras clave: metamaterial, celda unitaria, antena PIFA,
WiFi.
Abstract— In this work, a triple-band planar inverted F
antenna (PIFA) was designed and modeled at unlicensed WiFi
frequencies (2.4, 5 and 6 GHz). In the proposal made, a
metamaterial unit cell was used that was replicated in the
ground plane, obtaining a reduction in the size of the antenna
with respect to others already published. The cell geometry is
based on Minkowski fractal. A J-shaped slot was made in the
patch that allowed the resonance frequencies to be adjusted to
those of WiFi. A radiation efficiency of around 23% was
obtained for the 2.4 GHz band, higher than 74% in the 5 GHz
band and 96% in the 6 GHz band.
Keywords: metamaterial, unit cell, antenna PIFA, WiFi.
I. INTRODUCCIÓN
Si bien desde finales de los años 60 se ha especulado
teóricamente con la posibilidad de contar con medios que
presenten valores simultáneos de permitividad eléctrica (ε)
y permeabilidad magnética (μ) negativas [1], recién en los
últimos años pudieron fabricarse en laboratorio [2], [3] y
con aplicaciones de las más variadas. Los metamateriales
(MTM) son ampliamente definidos como estructuras
electromagnéticas efectivamente homogéneas con inusuales
propiedades electromagnéticas, no disponibles en medios
naturales. El metamaterial se construye formando una
disposición de estructuras periódicas y aperiódicas [4].
Estas estructuras, que deben ser mucho más chicas que la
longitud de onda, se conocen como celdas unitarias y son
similares a los átomos o moléculas de un material ordinario
y controlan las propiedades electromagnéticas del
metamaterial [5].
En [5] se exponen las diferentes aplicaciones de los
metamateriales en las antenas microstrip, donde consideran
de gran importancia su utilización en la miniaturización de
antenas. La idea del uso de metamateriales, para reducir el
tamaño de la antena, es cargar al parche radiante con cargas
capacitivas e inductivas en serie o en derivación. Estas
cargas, inductivas y capacitivas, se pueden modelar
diseñando celdas unitarias de metamateriales apropiados [5].
Por otro lado, los metamateriales también se utilizan en las
antenas colocando una metasuperficie altamente reflectante
encima del plano a tierra, formando una cavidad al aire libre.
La altura de la cavidad y la metasuperficie pueden controlar
la ganancia y el ancho de banda del radiador de la cavidad.
Un plano de tierra conductor detrás de la antena de parche
actúa como un blindaje mejorando la relación adelante-atrás
de la antena. El plano de tierra y el supersustrato de
metamaterial reflectante actúan como placas paralelas donde
tienen lugar múltiples reflexiones en el medio dentro de la
cavidad, lo que causa un aumento en la ganancia de la
antena [5].
En [6] se muestra con claridad que el uso de
metamateriales en un diseño de antena es una tendencia
atractiva no sólo para reducir el tamaño, mejorar la ganancia
de potencia y mejorar el ancho de banda, sino también para
diseñar antenas de banda multifrecuencia. También, en [7]
se realiza una revisión exhaustiva de los metamateriales y su
aplicación en los sistemas de comunicación 5G y 6G, donde
se concluye que la aplicación de metamateriales incluye la
mejora del ancho de banda y la ganancia, la reducción del
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Recibido: 20/06/24; Aceptado: 05/08/24
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.2.192.2024
Original Article
tamaño, la mejora de la eficiencia y la reconfiguración de la
frecuencia y el patrón.
Las antenas planas F invertidas (PIFA, por sus siglas en
inglés: planar F inverted Antenna) se utilizan generalmente
en aplicaciones móviles porque son compactas, de fácil
fabricación, se integran en los circuitos impresos y son
livianas [8]. En esta misma referencia se comentan las
distintas aplicaciones electromagnéticas de los
metamateriales y afirma que la inclusión de metamateriales
al sistema PIFA lo hace más compacto, lo que superará los
desafíos que enfrenta la miniaturización de los sistemas de
antenas en las comunicaciones móviles.
En [9] se diseña una antena PIFA que permite una
reducción de al menos la mitad del tamaño con respecto a
una antena microstrip básica. En [10] se plantea que una
limitación de las antenas PIFA es su ancho de banda
generalmente estrecho, lo cual solucionan con una
estructura metamaterial en el plano de tierra que permitió
miniaturizar la antena en un 91% y aumentó al triple el
ancho de banda con respecto a la PIFA convencional.
El objetivo de este trabajo es el diseño y modelado de
una antena PIFA que opere en las bandas de WiFi no
licenciadas: 2.4, 5 y 6 GHz. Para lograr sintonizar la antena
con las bandas de frecuencias deseadas se introdujo una
ranura en el parche, como ya lo hicieron previamente otros
autores. En la bibliografía se encontró que en [9] se diseñó
una antena PIFA de doble banda para dispositivos móviles
utilizando una ranura en forma de L en el parche y de modo
tal que, modificando el largo o el espesor, es posible
modificar la frecuencia de operación de la antena. En [11]
se propone el uso de una ranura en forma de J en el parche
de la antena PIFA para que la misma sea multibanda. En [12]
se agrega dos brazos abiertos en forma de L en la antena
PIFA para aplicaciones en LTE (1.8 GHz) y WiFi (2.4 y 5
GHZ). La introducción de una ranura modifica parámetros
tales como: impedancia de entrada, ancho de banda,
eficiencia de radiación y patrón de radiación. Esto se debe a
que la ranura modifica la distribución de corrientes y por lo
tanto el campo electromagnético radiado [11].
II. MÉTODO DE TRABAJO
A. Diseño de la antena
La antena PIFA se diseñó y modeló utilizando el
software CST con un sustrato Rogers RO4350B, disponible
en el Laboratorio de Telecomunicaciones. En la Tabla I se
indican las características de la placa RO4350B.
El plano de tierra está formado por una matriz de 2 celdas
unitarias con la idea de lograr una reducción en el tamaño
de la antena [5], [10], [13]. En la introducción se detalló que
la metasuperficie podía realizarse en el plano de tierra o
bien colocarla encima de la antena como una superficie
reflectante. Se optó por la primera aplicación con el objetivo
de que la antena sea más compacta y para que pueda
utilizarse en dispositivos pequeños como por ejemplo en
teléfonos celulares.
En un primer diseño se buscó que la antena opere en las
bandas de WiFi de 2.4 y 5 GHz. El diseño era de mayor
tamaño y el plano de tierra estaba formado por una
metasuperficie formada por seis celdas unitarias. Luego se
decidió considerar la banda de 6 GHz y se llegó al diseño
actual. No se encontró publicado un diseño de PIFA con las
características de la del presente trabajo que opere en las
tres bandas de WiFi. Existen antenas planas, publicadas
para computadoras portátiles, resonantes en las tres bandas
de WiFi, pero el plano de tierra tiene dimensiones
considerables, por lo cual no cumplen con el objetivo del
presente trabajo [14], [15].
Como se ilustra en la Figura 1, se alimenta la antena
mediante una sonda coaxial. La Figura 2 muestra una vista
de frente de la antena con sus dimensiones. La PIFA tiene
un tamaño de 19.50 mm de largo, 13.50 mm de ancho y una
altura de 1.15 mm.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS DEL SUSTRATO ROGERS RO4350B
ε
r
Tangente de
pérdidas 2.4 GHz
Espesor
sustrato (mm)
Espesor cobre
(mm)
3.48
0.0031
0.76
0.035
Fig. 1. Antena PIFA alimentada por una sonda coaxial. El plano de tierra
está formado por celdas unitarias y en el parche se cortó una ranura en
forma de J.
Fig. 2. Vista superior de la antena PIFA.
B. Metamaterial- Diseño de la celda unitaria
La estructura metamaterial de este trabajo consiste en una
disposición periódica bidimensional de dos celdas de cobre
que están impresas sobre el sustrato Rogers RO4350B, y
que se encuentra formando el plano de tierra de la antena.
El diseño de la celda unitaria, cuadrada de 9.50 mm de
lado, se muestra en la Figura 3 con sus respectivas
dimensiones. La forma geométrica corresponde a una
estructura fractal de Minkowski generada en primera
iteración. Para su generación se parte de un segmento -
iniciador- y el generador que consta de 5 segmentos, tal
como puede observarse en la Figura 4. Esta geometría fue
utilizada en [16] para implementar una antena tipo parche
de 2.4 GHz, teniendo el diseño una asimetría entre los lados
derecho e izquierdo respecto de los lados superior e inferior
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y donde el metamaterial se encontraba dispuesto como una
superficie reflectiva a una distancia determinada de la
antena. Otro trabajo de similares características es [13]
donde se diseña una antena PIFA utilizando una celda del
tipo fractal de Minkowski, pero con el interior
completamente de cobre, a diferencia de lo realizado por
[16]. En el presente trabajo se propone un diseño similar a
lo planteado por [16] pero ubicando la estructura del
metamaterial dentro del plano de tierra y agregando la
ranura en forma de J en el parche, todo ello con el objetivo
de simplificar el diseño y al mismo tiempo obtener las
características de antena PIFA y lograr el correcto
funcionamiento en las bandas de 2.4, 5 y 6 GHz. Para
determinar las dimensiones de la antena aquí propuesta se
tuvo en cuenta en el diseño que el tamaño de la celda
unitaria no sea superior a la longitud de onda. Al existir una
relación inversa entre la longitud de onda y la frecuencia, el
límite superior de la banda de WiFi de 6 GHz (7.125 GHZ)
corresponde a la menor longitud de onda (42.08 mm) de
funcionamiento de la antena. En [17] se expone que el
tamaño de la celda unitaria debe ser 4 veces menor que la
longitud de onda para que se cumpla la condición de
homogeneidad efectiva. En el presente trabajo, el tamaño de
la celda cuadrada es de 9.50 mm, con lo cual se verifica que
es más de 4 veces menor que la longitud de onda para el
caso más extremo.
Fig. 3. Diseño de la celda unitaria.
Fig. 4. Procedimiento de generación iterativa para un fractal de Minkowski.
(Adaptada de [18]).
C. Introducción de ranuras
La técnica de introducción de ranuras en el parche se
utilizó en el diseño de la antena del presente trabajo para
que la antena pueda operar simultáneamente en las tres
bandas de WiFi. En un primer paso se utilizó la ranura en
forma de L para que la antena opere en las bandas de 2.4 y 5
GHz. Luego, con el objetivo de incluir además la banda de 6
GHz, se terminó optando por la ranura en forma de J, como
se observa en las Figuras 1 y 2. El ancho y largo de la
ranura óptima se obtuvo en el proceso de modelado.
El espectro de frecuencia de cada banda WIFI no
licenciadas se indica en la Tabla II.
TABLA III
BANDAS DE WIFI NO LICENCIADAS
Banda WIFI
Espectro de frecuencia
2.4
(2.412 – 2.484) GHz
5
(5.170 – 5.320) GHz
(5.500 – 5.825) GHz
6E
(5.925 – 7.125) GHz
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La PIFA diseñada es una antena multibanda que opera en
las frecuencias de resonancia mediante la modificación del
largo y ancho de las ranuras del parche. En la Figura 5 se
muestra el coeficiente de reflexión o parámetro S
11
de la
antena en función de la frecuencia. Los indicadores señalan
las frecuencias de inicio y fin de cada una de las bandas de
WiFi indicadas en la Tabla II. Como se observa, la antena
funciona en las tres bandas de interés, aunque evidencia un
rendimiento menor en la banda de 2.4 GHz. Teniendo en
cuenta las dimensiones del modelo, la antena diseñada se
considera eléctricamente pequeña, por lo tanto, sus pérdidas
son altas, especialmente en el cobre, siendo esta la causa de
la baja eficiencia en esta banda [19].
En la Tabla III se muestran el coeficiente de reflexión, el
ancho de banda, la directividad y la ganancia para las
frecuencias de resonancia, tomando en consideración lo
planteado por [20], se toma como ancho de banda útil el
límite de -6 dB.
TABLA IIIII
BANDAS DE OPERACIÓN DE LA ANTENA
Banda 2.4
Banda 5
Banda 6
Frecuencia
(GHz)
2.438
5.240
5.51
6.806
S
11
-12.66 dB
-13.31 dB
-18.04 dB
-16.78 dB
Ancho de
banda
(GHz)
(2.425 – 2.454)
(5.130 – 5.414)
(5.476 – 7.282)
(5.476 – 7.282)
Ganancia
-4.886 dBi
2.341 dBi
2.072 dBi
4.369 dBi
Directivida
d
1.420 dBi
2.850 dBi
2.964 dBi
4.570 dBi
La Relación de Onda Estacionaria (ROE) (o VSWR, por
sus siglas en inglés) en función de la frecuencia puede
observarse en la Figura 6. En las bandas de WIFI de 5 y 6
GHz la ROE se encuentra por debajo de 2.2 dB.
Fig. 6. ROE de la antena en función de la frecuencia.
En la Figura 7 se muestra el patrón de radiación de la
antena para las frecuencias de resonancia.
En la Figura 8 se muestra la distribución de corrientes
para las cuatro frecuencias de la Tabla III. Allí se observa
un aumento en la intensidad de corriente en la ranura J
como así también alrededor de las celdas unitarias.
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Fig. 5. Coeficiente de reflexión de la antena en función de la frecuencia. Para este trabajo es de interés que las bandas de resonancia se correspondan con
las frecuencias de WiFi no licenciada.
Fig. 7. Patrón de radiación para las frecuencias de resonancia. (a) 2.438
GHz. (b) 5.240 GHz. (c) 5.510 GHz. (d) 6.806 GHz.
A. Miniaturización de la antena
La celda unitaria agregada en la antena se basa en la
adición de impedancias y capacitancias en serie o en
derivación para disminuir la frecuencia de resonancia,
reduciendo así el tamaño eléctrico de la antena PIFA. En la
Tabla IV se ilustra una comparación con desarrollos de
antenas PIFA convencionales y de antenas PIFA con
metamateriales diseñadas por otros autores, que se los puede
considerar semejantes, con lo que se aprecia la disminución
del volumen de la estructura propuesta.
IV. CONCLUSIONES
Se obtuvo una antena PIFA de triple banda para las
bandas de WiFi no licenciadas, con una eficiencia de
radiación alrededor del 95% a la frecuencia de mayor
atenuación. La ranura en forma de J del parche permite
ajustar las frecuencias de operación de la antena a las
requeridas.
Mediante el uso de metamateriales en el plano de tierra se
logra reducir considerablemente el tamaño de la antena,
tomando como referencia otros desarrollos publicados. Por
sus dimensiones, esta estructura propuesta, podría ser
utilizada en dispositivos electrónicos pequeños como ser
telefonía celular.
El siguiente paso de este trabajo es fabricar un prototipo
de la antena y realizar mediciones para contrastar
experimentalmente los resultados de la simulación.
Fig. 8. Corrientes de superficie para las frecuencias de resonancia. (a)
2.438 GHz. (b) 5.240 GHz. (c) 5.510 GHz. (d) 6.806 GHz.
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TABLA IVV
COMPARACIÓN DE LA ANTENA PIFA PROPUESTA CON OTRAS PUBLICADAS
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Autor
Dimensiones
(mm)
Volumen
(cm3)
Frecuencia
ε
r
Metamaterial
Ganancia
(dBi)
Eficiencia de
Radiación
(%)
Calixto Méndez et
al. (2021)
76x76x1.6
9.2
2.45 – 2.97 – 4.88
GHz
4.4
FR4
No
NA
NA
Pimienta y Lagar
(2016)
50x100 x8.13
40.7
920 – 1800 MHz
4.3
FR4
No
1.61 – 4.03
NA
Zhang et al. (2018)
23x80x1.6
2.9
1.8 – 2.4 – 5.5 GHz
4.4
FR4
No
3.3 – 2.1 –
4.1
55.0 – 80.0 –
70.0
Rajpreet Kaur y
Naveen (2016)
20x42x3.8
3.2
2.43 – 3.59 GHz
2.2
RO5880
Si
4.03 – 4.03
NA
Xin-yuan et al.
(2011)
30x45x6.5
8.8
3.4 GHz
2.55
Si
3
99.4
Jalal et al. (2013)
18.1x36.7x3.165
2.1
915 MHz
4.4
FR4
Si
NA
NA
Este trabajo
19.5x13.5x1.15
0.3
2.438 – 5.240 – 5.51
– 6.806 GHz
3.48
RO4350B
Si
-4.886 –
2.341 – 2.072
– 4.369
23.3 – 85.3 –
74 – 96
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 77-81 (2024)
ISSN 2525-0159
81
http://elektron.fi.uba.ar
