Diseño y Optimización de la antena Belgrano usando el CST MicroWave Studio

Diseño y Optimización de la antena Belgrano usando el CST MicroWave Studio Por Synthex

Diseño y Optimización de la antena Belgrano usando el CST MicroWave Studio Por Synthex Miembro VIP del foro www.zero13wireless.net

Agradecimientos: Mandarache: Gracias por crear y hacer público tu diseño de la antena Belgrano. Zero13: Gracias por crear y administrar el foro www.zero13wireless.net A todos los miembros del foro www.zero13wireless.net, especialmente y en orden aleatorio: maquia, ak_, Chalenger, aleusho, dragonfly, xenon022, sioran, soriante, mardean, obianchi, sushisan, fcocarrascoso, input58, kittmask, deck1, ppp20pp, Zetup, pepitogrande, Chenteb, PURVEL, manolin2, acuario25, wolfox, landru, AliveSoul y algún otro que seguro que se me ha olvidado ;)

Introducción: Hace ya algún tiempo que buscando información sobre adaptadores y antenas wireless me encontré con el foro www.zero13wireless.net. Desde entonces no he podido dejar de entrar en él para informarme y aprender de este apasionante mundo. Especialmente me enganché a un hilo abierto por Mandarache donde comentaba las modificaciones que iba haciendo a su antena parabólica Abaks, bueno, más bien al iluminador, pues el que venía de fábrica era muy malo. En ese hilo se iban proponiendo y probando distintos tipos de antenas para usarlos como iluminador: la Biquad, la TDJ13 cuadrada, la TDJ13 circular (que es una variante de la cuadrada creada por Mandarache) y la SRM que es una mejora de la TDJ13 circular pero con elementos elípticos cuyos perímetros y áreas son submúltiplos de Lambda, es decir, de la Longitud de Onda para la frecuencia Wifi. Con cada paso, con cada evolución, se conseguía aumentar el alcance y la estabilidad de las conexiones Wifi, superando los 80Km de enlaces estables y llegando a recibir paquetes sueltos desde más de 200Km. El tiempo fue pasando y un buen día Mandarache nos sorprendió a todos con un nuevo diseño de antena llamado Belgrano, un diseño sencillo, fácil y barato de construir, pero muy efectivo. En vista de las grandes ventajas que la antena Belgrano ofrecía, quise ayudar a intentar mejorarla, pero como no tengo ni los materiales, ni las herramientas, ni las habilidades constructivas para hacerlo de manera real, decidí hacerlo de forma “virtual” usando un programa llamado CST MicroWave Studio, donde diseñé e intenté optimizar la antena Belgrano. He de decir que no tengo conocimientos ni de electromagnetismo, ni de radiofrecuencia, ni de electrónica y que nunca antes había usado dicho programa, por lo que iba un poco a ciegas, pero leyendo algunos manuales y viendo algunos videotutoriales, poco a poco fui aprendiendo a utilizar este complejísimo y potentísimo programa, aunque estoy seguro de que aún no soy capaz de aprovechar ni el 10% de su potencial. En este documento quiero explicaros desde cero como se diseña y se optimiza una antena Belgrano usando el programa CST MicroWave Studio. He usado la versión 2009, pero os puede valer desde la 2008 hasta la 2010. Gracias a todos por vuestra atención, ruego guarden silencio en la clase y por favor presten la máxima atención… COMENZAMOS!!!

Abrimos el CST, seleccionamos el MicroWave Studio y le damos a OK

Seleccionamos Antenna(Horn,Waveguide) lo cual nos establece las medidas en milímetros, la frecuencia en gigahercios y algunas cosillas mas. Le damos a OK.

Ante nosotros encontramos el entorno de trabajo del CST MicroWave Studio.

A la parte superior tenemos los menús y las barras de herramientas, las cuales podemos adaptar a nuestro gusto. De momento lo que más nos interesa es la barra de Objetos, que os la he marcado en rojo en la imagen de la derecha para que la tengáis bien localizada, pues vamos a trabajar mucho con ella, porque con esos objetos iremos diseñando nuestra antena Belgrano. A la izquierda tenemos la ventana donde irán apareciendo los componentes, los materiales, etc… de nuestra antena según la vayamos diseñando, así como los diferentes resultados de la simulación. A la parte inferior tenemos dos ventanas, la Lista de Parámetros, donde irán apareciendo los diferentes parámetros que usemos en nuestra antena (radios, distancias, separaciones, etc…) y la ventana de mensajes donde el programa nos irá informando del proceso de la simulación. En el centro tenemos la ventana principal donde iremos haciendo nuestro diseño, que será tridimensional, es decir en 3D, por lo que con el teclado numérico podemos girar la imagen para verla de frente(5) desde arriba(8), desde abajo(2), desde la izquierda(4), desde la derecha(6) o en perspectiva(0). Con la rueda del ratón podemos hacer Zoom y con la barra espaciadora ajustamos y centramos nuestro diseño a la ventana. De momento le damos al 5 y dejamos la vista frontal.

En la barra de objetos tenemos las formas básicas que podemos usar para diseñar nuestra antena, Bloques, Esferas, Cilindros, Conos, Toroides (donuts), etc Para la Belgrano necesitamos crear Cilindros Elípticos y puede que esa opción no nos aparezca en la barra de Objetos por lo que tendremos que añadirla nosotros. Nos situamos encima de la barra de Objetos, le damos al botón derecho y luego a Customize.

En la ventana que nos aparece pinchamos en la pestaña Command y luego en la categoría Object Tools. Ahora, en Buttons cogemos el de "Create Elliptical Cylinder" y lo arrastramos a la barra herramientas de objetos colocándolo entre el Cilindro y el Cono.

Le damos a Aceptar y ya tenemos la herramienta para crear nuestras elipses.

Pinchamos en nuestro nuevo icono de crear cilindros elípticos y hacemos dobleclick en el centro de la cuadrícula, nos desplazamos a la derecha, volvemos a hacer doble click, subimos hacia arriba, volvemos a hacer dobleclick, bajamos un poco, hacemos dobleclick y nos aparece una ventana muy interesante, pues hasta ahora hemos hecho una elipse a ojo, sin dimensiones concretas, pero en esta ventana podemos definir exactamente como queremos que sea nuestra elipse:

Rellenamos las casillas con los siguientes datos: Nombre->Reflector Orientación->Z RadioX->Rx RadioY->Ry CentroX->0 CentroY->0 Zmin->-Rg Zmax->0 Segments->0 Component->Belgrano Material->Load from Material Library->Copper Le estamos diciendo que nuestra elipse se llama Reflector, tiene un radio horizontal Rx, un radio vertical Ry, el centro de la elipse coincide con el centro de coordenadas (0,0) tiene un grosor Rg, forma parte del componente llamado Belgrano y es de Cobre.

¿Radio Rx, radio Ry, Grosor Rg? ¿No ponemos números? Pues no, si ponemos números se quedarían fijos y el programa no nos dejaría jugar con ellos, por eso ponemos lo que se llaman Parámetros y que no es otra cosa que un nombre al cual luego le daremos un valor. Si os fijáis he puesto el grosor en Zmin y en negativo (-Rg) mientras que el Zmax es cero. Eso lo hago porque quiero que la cara frontal del Reflector esté situada en la coordenada cero y no se mueva, mientras que la cara posterior irá situada según el grosor del reflector y en negativo, es decir, hacia atrás. Le damos a OK y nos aparece una ventanita donde nos dice que ha encontrado un nuevo parámetro, llamado Rx, por lo que pide que le indiquemos que valor tiene y le demos una pequeña descripción. Introducimos los datos que nos pide igual que en la imagen de la derecha y le damos a OK. ¿121/2? ¿Qué es eso? Muy fácil, el Diámetro horizontal del Reflector es 121, pero el programa nos está pidiendo el Radio, que es la mitad, es decir 60.5 por lo que puedo poner 60.5 o puedo poner 121/2 que es lo mismo y no os preocupéis que el programa sabrá dividirlo. Continuamos introduciendo Valor y Descripción para Ry y para Rg.

Ahora le damos a la barra espaciadora para que nos ajuste el diseño que hemos creado a la ventana y ya tenemos nuestro Reflector. Si nos fijamos en la ventana de Lista de Parámetros vemos que han aparecido los Parámetros que hemos introducido, su Valor y su Descripción, los cuales podemos cambiar en cualquier momento con solo seleccionarlos y modificarlos, sin necesidad de tocar la elipse para nada.

Ahora que tenemos el Reflector, vamos a crear el Núcleo de nuestra antena Belgrano. Volvemos a pinchar en el icono de crear cilindros elípticos y repetimos el proceso que habíamos hecho con el Reflector, pero esta vez cuando aparezca la ventana le daremos estos datos: Nombre->Nucleo Orientación->Z RadioX->Nx RadioY->Ny CentroX->0 CentroY->0 Zmin->Nz Zmax->Nz+Ng Segments->0 Component->Belgrano Material->Copper

El parámetro Nz indica la posición de la cara posterior del núcleo, en este caso 6mm por lo que como la cara frontal del Reflector la tenemos situada en cero, nos dará una separación entre Reflector y Núcleo de 6mm. El parámetro Ng es el grosor del Núcleo. Zmax es la posición de la cara frontal del director y está situada en Nz+Ng es decir a 6+1 = 7mm. Ahora podemos jugar un poco a ver el diseño desde arriba, abajo, izquierda, derecha, perspectiva y frontal usando el teclado numérico.

Vamos a crear la Orejeta donde luego se conectará el Vivo. En la barra de Objetos pinchamos en Create Cylinder, luego nos situamos un poco por arriba de la elipse del Núcleo, hacemos doble click, movemos un poco a la derecha y vamos haciendo dobleclicks hasta que aparezca la ventana donde introduciremos los datos del Cilindro que estamos creando según la siguiente imagen.

Pulsamos OK y nos pedirá los Valores y Descripciones para Orejeta y DistVivo:

Como podéis imaginar, el parámetro Orejeta es el radio de la orejeta y DistVivo es la distancia desde el borde del reflector al centro del vivo. Muy bien, casi lo tenemos, Si hacemos Zoom para ver como queda la unión entre la orejeta y el Núcleo veremos que no se parece mucho al diseño de Mandarache, pero vamos a solucionarlo añadiendo un bloque entre el círculo de la orejeta y el Núcleo.

En la barra de objetos pinchamos en Create Brick y vamos haciendo dobleclick hasta crear el rectángulo que aparece en la siguiente figura. Cuando aparezca la ventana introducimos los datos del bloque que estamos creando.

Ahora tenemos un círculo, un rectángulo, una elipse... todo mezclado... un poco de lío... Vamos a solucionarlo uniendo las tres cosas...

Para ello en la ventana de la izquierda seleccionamos (manteniendo apretada la tecla Control) el Núcleo, Orejeta y Orejeta2. Una vez seleccionados pinchamos en Boolean Add para juntarlos…

Y como por arte de magia, ahora tenemos solo un objeto llamado Núcleo, que si que se parece al diseño de Mandarache.

Antes de liarnos con el Director vamos a añadir unos cuantos parámetros, pero lo vamos a hacer directamente en la ventana de Lista de Parámetros. Para ello pinchamos en la última línea que estará en blanco y vamos introduciendo los siguientes datos en Nombre, Valor y Descripción: SepRN, 6, Separación entre Radiador y Núcleo SepND, 6, Separación entre Núcleo y Director Dx, 50/2, Radio X del Director Dy, 54/2, Radio Y del Director Dz, SepRN+Ng+SepND, Coordenada Z de la cara posterior del Director Dg, 1, Grosor del Director También podemos modificar un parámetro que ya teníamos, como por ejemplo el parámetro Nz, al que cambiaremos su valor a SepRN. Al final nos tienen que aparecer todos estos nuevos parámetros junto con los que ya habíamos introducido:

Cada vez que modifiquemos uno o varios parámetros, el programa nos pedirá que presionemos F7 para actualizar los cambios. Ahora que ya tenemos todos los parámetros introducidos, vamos a por el Director, por lo que creamos otra elipse y le damos los datos que aparecen en la imagen de la derecha. Bueno, ya tenemos el Reflector, el Núcleo con su orejeta y el Director, ahora solo nos falta el Conector y el Vivo… Pero eso lo haremos mejor por detrás, así que iremos al desplegable de las vistas y seleccionaremos Back para poner la vista posterior.

Ahora que vemos la parte trasera del Reflector vamos a colocar el Conector. Comenzamos con un Cilindro que se corresponderá con el interior del conector y que situaremos más o menos al centro de la mitad superior del reflector y en la ventana que nos aparece introduciremos los siguientes datos, fijándonos bien en que el material es Teflón, pues estamos creando el plástico que hay dentro del conector.

Le damos a OK y ARGHH!!! ¿Shape Intersection? ¿Qué demonios es esto? ¿Qué hemos hecho mal? Ante todo calma, pues no pasa nada malo. Lo que ocurre es que el programa ha detectado que el Coaxial y el Reflector son de materiales diferentes (Teflón y Cobre) y tropiezan uno con el otro, por lo que quiere que le indiquemos que tiene que hacer. Nosotros queremos que el conector atraviese el Reflector, por lo que le decimos que inserte el Coaxial en el Reflector, es decir, que haga un agujero en el Reflector para que pase el Coaxial y ya está, que tampoco es para tanto. Una vez hemos seleccionado Insert Highlighted Shape le damos a OK.

Ya tenemos nuestro Conector atravesando el Reflector y si apretamos la tecla 4 del teclado numérico para ver nuestra antena desde la izquierda, vemos que por la parte posterior del reflector sobresale el Conector. Vamos a seleccionar la cara que forma el perímetro del conector, para ello presionamos la tecla F y hacemos dobleclick sobre el conector para seleccionarlo. Una vez lo tengamos seleccionado vamos a la barra de herramientas de objetos y le damos a Extrude.

Al presionar Extrude nos aparece una nueva ventana en la cual introduciremos los datos igual que en la imagen de la izquierda fijándonos bien que hemos vuelto a seleccionar Cobre y no Teflón, pues estamos definiendo la parte exterior de nuestro Conector y tiene que ser metálica.

Ya tenemos el exterior y el interior del conector, ahora nos falta el Vivo. Para ellos nos pondremos en vista posterior para ver la Belgrano de nuevo desde atrás.

Para crear el Vivo usaremos un cilindro situado en el centro del conector y en la ventana que nos aparece al crearlo le introduciremos los datos que aparecen en la imagen de la derecha. En el parámetro RadioVivo controlaremos el radio del vivo y de momento su valor es de 1mm.

Ya tenemos diseñada nuestra antena Belgrano, pero antes de comenzar con la simulación hemos de indicarle al programa en que rango de frecuencias queremos simular. Para ello pinchamos en el botón Frequency Range y en la ventana que nos aparecerá a continuación introduciremos las frecuencias mínima y máxima que queremos para la simulación. Como estamos diseñando una antena para Wireless, las frecuencias que nos interesan van desde 2.401Ghz hasta 2.483Ghz que son el rango total de frecuencias desde el principio del canal 1 hasta el final del canal 13. Las introducimos igual que en la imagen de la izquierda.

Ya hemos definido el rango de frecuencias en el que vamos a realizar la simulación, pero aún no le hemos dicho al programa por donde se conecta nuestra antena. Para ello tenemos que seleccionar el conector y crear un Puerto. Ponemos la vista posterior, hacemos zoom para ver bien el conector, presionamos la tecla F, seleccionamos el exterior del conector y después pinchamos en el botón Waveguide Ports para crear un puerto en nuestro conector. Nos aparecerla la ventana de la imagen inferior, en la que no hemos de modificar nada, tan solo darle a OK.

Ya tenemos casi todo preparado para simular, tan solo nos faltaría añadir unos cuantos monitores de Farfield, para ver como se comporta nuestra antena en una frecuencia determinada. Como nos interesan las trece frecuencias de los trece canales Wifi vamos a añadirlas usando una macro que ya viene en el CST. Pinchamos en Macros>Farfield->Broadband Farfield Monitors.

Nos aparecerá la ventana de la derecha, donde introduciremos las frecuencias baja, alta y cada cuanto queremos que nos cree un monitor. Introducimos 2.412 que es la frecuencia del canal 1, 2.472 que es la frecuencia del canal 13 y en stepsize ponemos 0.005 pues cada canal está separado 5Mhz del siguiente.

Una vez le hayamos dado a OK, en la ventana de la izquierda, en el apartado Field Monitors tienen que aparecernos los 13 monitores que se corresponden con los 13 canales Wifi y sus respectivas frecuencias. Ahora si que estamos preparados para simular.

Vamos a simular. Para ello pinchamos en el botón Transient Solver.

Nos aparece la siguiente ventana, en la cual aumentaremos la precisión de cálculo a -80dB y le damos a Start.

Dependiendo de la potencia de nuestro ordenador la simulación puede tardar varios minutos o incluso horas, por ello en la parte inferior izquierda del CST aparece la barra de progreso de la simulación y un botón donde poder abortarla si fuera necesario.

En la ventana de mensajes, el CST nos irá informando del progreso de la simulación y de si se produce o no algún error.

Una vez terminada la simulación podemos acceder a los diferentes resultados de la misma seleccionando en la ventana de la izquierda el apartado que mas nos interese. De momento nos interesa ver los Farfields de las frecuencias correspondientes a los trece canales Wifi y el parámetro S que nos indicará en que frecuencias funciona mejor nuestra antena. En la imagen de abajo tenemos un ejemplo de Farfield para el canal 7.

Algo muy importante y a tener muy en cuenta al diseñar y optimizar una antena es el parámetro S11, el cual hace referencia a las pérdidas por retorno (Return Losses), es decir la radiación que la antena no es capaz de irradiar y que retorna al conector, lo que traducido para que se entienda significa lo bien o mal que funciona nuestra antena según la frecuencia. Cuanto menor valor, mucho mejor, por ello cuando optimicemos la Belgrano intentaremos reducir el parámetro S11 al mínimo posible.

En el gráfico podemos observar que nuestra antena Belgrano funciona bastante bien entre 2.4Ghz y 2.45Ghz, especialmente en 2.426Ghz, pero a partir de 2.45Ghz la cosa empeora. También podemos obtener los resultados de ROE/VSWR y de Impedancia. Para ello dentro del Menú Results, le damos a S-Parameter Calculations y luego a Calculate VSWR y Calculate Z and Y Matrices. Los resultados los podemos encontrar en la ventana de la derecha al final del apartado 1D Results.

La Impedancia es un número Complejo por lo que tiene una parte Real y otra Imaginaria, pero nosotros de momento nos conformaremos con mirar su Magnitud, e intentaremos que esté sobre los 50Ohm y que no se nos suba mucho.

Comparativas: Vamos a ver como se pueden hacer tablas comparativas variando uno o más parámetros de la Belgrano. Vamos a realizar una comparativa de separación del Director colocándolo a 4, 5 y 6mm a ver que resultados nos da. Para ello entramos en Transient Solver y le damos a Parameter Sweep.

Nos aparecerá la siguiente ventana.

Desplegamos Add Watch y seleccionamos S Parameter. Nos aparecerá una ventana, donde marcaremos Mag. (dB) y le daremos a OK.

Ahora pinchamos en New Seq y luego en New Par. Nos aparecerá otra ventana donde vamos a indicarle que queremos variar la separación entre Núcleo y Director. Seleccionamos SepND y ponemos que queremos hacer un Sweep desde 4 hasta 6 en 3 pasos, es decir, variará entre 4, 5 y 6mm. Le damos a OK.

La ventana de Parameter Sweep nos debe haber quedado así:

Le damos a Start y esperamos a que termine el proceso. Lo que el CST está haciendo ahora es simular la Belgrano con las distintas separaciones entre Núcleo y Director que le hemos indicado, guardando los resultados del gráfico S11 para mostrarlos en una única tabla. Una vez terminado el proceso le damos a Close. ¿Pero donde están los resultados? Pues nos vamos a la ventana de la izquierda, y abajo del todo desplegamos Tables y pinchamos en [S1,1] in dB para que aparezca nuestra gráfica comparativa.

En el gráfico podemos apreciar las diferentes curvas S11 según la separación entre Núcleo y Director. La curva azul corresponde a los 6mm de separación del diseño original. La curva roja corresponde a 4mm de separación y es un poco peor en frecuencias bajas y bastante mejor en frecuencias medias y altas. Pero claramente se puede apreciar que la curva que mejor resultado nos da es la curva verde, que se corresponde con una separación entre Núcleo y Director de 5mm. ¿Significa eso que 5mm es la separación perfecta e ideal? Pues no. Tan solo significa que 5mm de separación son mucho mejor que 6mm y bastante mejor que 4mm, pero no está equilibrada, pues es mejor en los canales altos y peor en los canales bajos. Podríamos continuar haciendo comparativas con 4.5mm, 4.75mm, 5.5mm, etc… para intentar encontrar la separación ideal, pero eso sería perder el tiempo, pues el CST tiene un Optimizador que es capaz de hacerlo por nosotros.

Optimizaciones: Vamos a ver como indicarle al CST que nos optimice nuestra antena Belgrano. El proceso de optimización puede tardar bastante tiempo dependiendo del número de parámetros que queramos optimizar, pues la optimización se basa en realizar múltiples simulaciones haciendo pequeños cambios entre ellas, comparando los resultados para ver si dichos cambios mejoran o empeoran el rendimiento de la antena y reajustando automáticamente los valores de los parámetros que estemos optimizando. Para iniciar una optimización nos vamos primero a Transient Solver y pinchamos en Optimize.

Nos aparece la ventana del optimizador con una lista de todos los parámetros que podemos optimizar. Ahora comprenderéis porqué hemos evitado poner números mientras diseñábamos nuestra antena Belgrano, pues de haberlos puesto no podríamos optimizarlos.

Pinchamos en la pestaña Goals, desplegamos Add new goal y seleccionamos S parameter.

En la ventana que nos aparece vamos a definir el objetivo de nuestra optimización que no es otro que el menor valor posible del parámetro S11 para el centro del rango de frecuencias Wifi. Para ello marcamos Mag. (dB), en Operator seleccionamos Move Min y automáticamente nos pondrá la frecuencia a 2.442Ghz que es justo el centro del rango de frecuencias Wifi.

Al darle OK nos quedará la ventana como la siguiente imagen.

Ahora pinchamos en la pestaña Parameters y buscamos el parámetro SepND que es el que nos interesa optimizar. Marcamos SepND y ajustamos los valores Min, Max e Inicial, a 4, 6 y 5 respectivamente según se muestra en la siguiente imagen.

Le damos a Start y comenzará la Optimización. Ahora el CST irá haciendo múltiples simulaciones de la Belgrano, ajustando automáticamente la separación entre Núcleo y Director, comenzando por 5mm que es la distancia que de momento sabemos que funciona mejor y comparándola con otras separaciones dentro del rango que va entre 4mm y 6mm, viendo con cual de ellas nos proporciona el valor mas bajo posible de S11 para la frecuencia de 2.442Ghz. El programa nos irá informando del proceso de Optimización y de los mejores valores que haya encontrado por el momento.

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Y una vez finalizada la Optimización nos mostrará un resumen con el resultado mas óptimo que ha podido encontrar.

Le damos a Apply para que aplique los cambios al parámetro SepND modificando su valor a 5.68616 y ya tenemos nuestra Belgrano un poco mas optimizada. El CST nos deja por defecto los resultados de la mejor optimización por lo que si vamos a 1D Results y pinchamos en [S] dB veremos el nuevo gráfico del parámetro S11.

Como se puede observar hemos mejorado de un -15dB a un -17dB pero lo mejor es que hemos conseguido equilibrar nuestra Belgrano para todo el rango de frecuencias Wifi, gracias a que la optimización ha buscado el mejor resultado para la frecuencia central de 2.442Ghz.

De momento, con una separación entre Reflector-Núcleo de 6mm y una separación entre NúcleoDirector de 5.68mm hemos conseguido mejorar nuestra Belgrano. Ahora podemos intentar optimizar a la vez SepND y SepRD pero eso ya os lo dejo a vosotros…

Conclusión: Espero que este documento os haya servido para iniciaros en el apasionante mundo del diseño y la optimización de antenas usando el CST MicroWave Studio. Poco más os puedo enseñar, pues yo mismo aún estoy aprendiendo, pero estoy seguro de que poco a poco os iréis familiarizando con el manejo del programa y que conseguiréis diseñar y optimizar vuestras propias antenas. Gracias a todos y nos vemos en www.zero13wireless.net

Synthex Tutorial Versión v1.0 Mayo de 2010