Fralbe’s Blog

Una pregunta que me han hecho reiteradamente es: ya estás haciendo la tesis? y sobre todo: y qué tema estás haciendo?. Y mi respuesta generalmente es: un diseño de antenas, ya que el titulo en sí de la tesis, como la mayoría de las veces en esto, a pocos dice algo. Pero bueno el tema como tal enuncia: Diseño e implementación de antenas con forma fractal para la banda UHF. Son antenas microcinta. Y como lo ven, un poco raro, a veces ni yo entiendo como fui aparar en ese tema…jaja. Pero bueno, para dar réplica a la explicación que muchas veces me piden, voy a ir incluyendo algunos post al respecto, en esta ocasión algo de antenas fractales, ya luego hablaré, eso espero, de los fractales como tal (aunque debería empezar por ahi, pero bueno, hay disculpan).

Simulación (realizada en el software Feko) del diagrama de radioación para 3600 GHz de Antena fractal en forma del triangulo de Sierpinski para 900, 1800 y 3600 GHz.

En la actualidad, los sistemas de comunicaciones necesitan antenas con gran ancho de banda y reducido tamaño con respecto a las antenas conocidas típicamente. Por lo cual, se ha buscado opciones que satisfagan dichas necesidades. Una alternativa son las antenas fractales, las cuales por su estructura permiten logran estos objetivos.

Existe un sin número de fractales, pero dentro del ámbito de la aplicación en antenas, entre los más utilizados podría mencionarse: la isla de Koch, el triangulo de Sierpinski, los fractales de árbol en dos y tres dimensiones, la curva de Koch, la curva de Hilbert, el fractal de Mandelbord, etc. Estos de acuerdo a su forma y propiedades son aplicados a diferentes tipos de antenas como las antenas de bucle, dipolos, antenas multibanda y la formación de arreglos.

Propiedades de las Antenas Fractales

Antena fractal implementada (imagen extraida dela web)

Por mucho tiempo la dependencia del tamaño de la antena con respecto a la longitud de onda ha marcado la tendencia de diseño de las mismas, lo cual en ocasiones se ha convertido en un verdadero problema debido a la preferencia hacia la miniaturización de los diferentes equipos. En este sentido, la utilización de formas fractales y arreglos puede ayudar a sobrepasar estos altercados contribuyendo con una amplia y variada gama de formas geométricas con disposiciones propicias para las necesidades de antenas actuales.

Cabe recalcar que debido al avance de las comunicaciones inalámbricas de tercera y cuarta generación, en las cuales la tendencia es incluir múltiples servicios en espacios reducidos como teléfonos celulares, portátiles, etc. Es primordial para estos contar con antenas que satisfagan dos propiedades importantes, como son: un gran ancho de banda y un tamaño reducido. También, es importante reducir el tamaño de antenas externas como las situadas en estaciones base y dispositivos para los puntos de acceso, ya que esto reduce el impacto visual ambiental de la estructura de la red inalámbrica.

Así pues, las antenas realizadas en base a geometrías euclidianas ya no permiten dar solución a estos inconvenientes, por lo cual ha sido necesario la búsqueda y desarrollo de nuevos diseños que permitan solventar la arremetida de las innovaciones de las comunicaciones inalámbricas del presente.

Como se ha venido describiendo, existen varias razones por lo cual utilizar formas fractales en el diseño de antenas, las más importantes se detallan a continuación: [Arcos Cerda, Diego Alexis.Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, 2007]: Diseño e implementación de una antena yagi fractal en las bandas de 200, 400 y 800 MHZ. Quito : s.n., 2007. Tesis (ingeniería en electrónica y telecomunicaciones)–Escuela Politécnica Nacional.]

1. Los fractales presentan geometrías autosimilares (contienen varias copias de sí misma a diferentes escalas), lo que permite que al aplicar dicha forma a una antena, esta adquiera propiedades multibanda.
2. La dimensión fractal de algunos fractales (tendencia a longitudes infinitas en áreas finitas), permite la reducción del tamaño de las antenas a realizar respecto a una hecha en base a geometrías euclidianas.
3. Muchos de los fractales cuentan con formas irregulares, bordes afilados, discontinuidades y esquinas, los cuales mejoran notablemente la radiación electromagnética, por lo que estas geometrías se constituyen elementos radiantes eficientes.
4. Las antenas realizadas en base a geometrías fractales, suelen tener incrementos notables respecto a la impedancia de entrada, lo cual permite facilitar el acople entre la antena y la línea de transmisión.
5. Se pueden conseguir factores de calidad (Q) bajos reconociendo que existen límites fundamentales referidos a cuan pequeñas pueden ser las antenas, y que explican que una antena es pequeña cuando puede ser enderrada en una esfera radian, es decir, una esferea con radio a=λ/2π si la estructura llena bien la esfera circunscrita se logran factores de calidad bajos y por lo tanto el ancho de banda puede ser mejorado.
6. Debido a que combinan la robustez de la colocación aleatoria con la eficiencia de una ordenación coherente, los arreglos de antenas consiguen un mejor desempeño.

Es importante a su vez aclarar que no todas las ventajas descritas previamente se evidencian simultaneamente en todas las estructuras fractales. Por lo general se presentan estructuras fractales. Por lo general se presentan estructuras fractales para dipolos como la curva de Koch, los fractales de árbol en 2D y 3D, etc., en donde el objetivo a lograr es la reducción de la altura de la antena y el aumento de la impendacia. De igual manera sucede con las antenas de bucle al utilizar fractales como la isla de Koch, la curva de Minkowski, etc., en donde se busca minimizar el tamaño de la antena e incrementar la impedancia de entrada. Por separado se presenta el estudio de estructuras como el tríangulo de Sierpinski cuya estructura permite lograr antenas multibandas. Así pues, de acuerdo a las diferentes estructuras fractales utilizadas podemos lograr ciertas ventajas concretas.

Bueno por ahora eso es todo…