Antenas pequeñas y eficientes para tecnología vestible

Crear antenas cada vez más pequeñas y de mayor eficiencia es un reto al que se enfrentan científicos dedicados al desarrollo de nuevas tecnologías, especialmente desde el sector que impulsa el internet de las cosas.

Especialistas del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) desarrollaron el prototipo de un brazalete que funciona de forma independiente y con características similares a las de un teléfono celular.

Esta tecnología es posible a través de la construcción de antenas que son lo suficientemente pequeñas y eficientes para convertirse en un componente de dispositivos vestibles, aparatos que se integran en el usuario como parte de sus prendas y hacen contacto con la piel.

En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, el doctor José Luis Medina Monroy, investigador del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE, explicó que a diferencia de los relojes inteligentes, ya disponibles comercialmente, el brazalete desarrollado no requiere la señal de otro dispositivo para su funcionamiento, ya que se conecta directamente a una radiobase.

Para ello construyeron una antena vestible que opera en la banda de telefonía LTE y que fue sometida a diversas pruebas experimentales, especialmente para observar su comportamiento una vez que es utilizada, puesto que al contacto con la piel sus características se degradan.

“En el aire no hay nada que las esté atenuando, tiene mejor ganancia, mejor directividad a todos sus parámetros, mejor acoplamiento y mejores características de radiación, que al momento de hacer contacto con la piel, cambia, al igual que al ponerlo en contacto con un metal”.

La realización de los experimentos implicó la utilización de un modelo de brazo humano, probado en el Laboratorio de Altas Frecuencias del CICESE, donde los especialistas observaron los cambios en los patrones cuando el brazalete entra en contacto con la piel.

“Medíamos las características de propagación de la antena, para ver de qué direcciones viene el lóbulo principal y en qué otras direcciones radia, determinando el patrón de radiación completo de una antena”.

Mientras que el brazalete tiene una longitud total de 18 centímetros, distribuidos en seis secciones, la antena que es el componente esencial para su funcionamiento, tiene una constante dieléctrica relativa de 3.8, una longitud de 127 milímetros, un ancho de 25 milímetros y un espesor de 0.13 milímetros.

El doctor Humberto Lobato Morales, investigador del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE y colaborador en el proyecto, expuso que generalmente los sustratos dieléctricos para el diseño de antenas planas se caracterizan por la constante dieléctrica y su altura.

Puntualizó que los sustratos utilizados para diseñar la antena son un polímero denominado ABS junto con una cinta de poliamida llamada Kapton con un grosor total de 2.035 milímetros, lo cual deriva en retos para lograr que la antena funcione adecuadamente a pesar del delgado sustrato.

“Además de la eficiencia hay que observar las dimensiones: una antena entre más pequeña sea, menos eficiente es, pero si hacemos una antena muy grande, vamos a tener una eficiencia muy alta que no será comercialmente viable”.

Otra de las características particulares de la antena utilizada en el brazalete es su flexibilidad, ya que debe ser moldeable para que el usuario pueda colocarla y retirarla con facilidad en su muñeca, proceso de manipulación en que debe mantener su eficiencia de radiación.

Para obtener estas características, los investigadores utilizan un modelo de antena de parche o microcinta: “Las antenas de microcintas empezaron a desarrollarse con sustratos rígidos y a través del tiempo se han diseñado sustratos dieléctricos más delgados y con características para diseñar en circuitos de alta frecuencia”, comentó el doctor Humberto Lobato.

Explicó que la antena para el brazalete, proyecto del estudiante de doctorado Javier Rubén Flores Cuadras, forma parte de una línea de estudio para la construcción de antenas flexibles con potencial de convertirse en componentes para tecnología que se integra en diversas prendas.

Javier Flores también desarrolló una antena para colocarse en el tobillo, que opera en las bandas GNSS (Global Navigation Satellite System) y BLE (Bluetooth Low Energy); en ambos casos, los investigadores han logrado aumentar la eficiencia y reducir el tamaño de la antena.

El desarrollo del brazalete forma parte de un proyecto que se lleva a cabo en el Laboratorio de Altas Frecuencias del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE, que tiene entre sus objetivos construir antenas de muy alta frecuencia.

El doctor José Luis Medina, responsable del laboratorio, mencionó que el trabajo que él y sus colegas realizan es a partir de frecuencias de microondas, que son frecuencias altas con longitudes de onda pequeñas que se encuentran en el rango de uno a 30 gigahertz (GHz).

Este tipo de frecuencias tiene múltiples aplicaciones en tecnologías con las que interactuamos cotidianamente, como las comunicaciones inalámbricas, telefonía celular, wifi, Bluetooth y hasta el horno de microondas en que preparamos alimentos.

“En nuestro laboratorio podemos diseñar y realizar el análisis electromagnético de los componentes que integran un sistema, desde una antena, amplificadores, osciladores, mezcladores y filtros para desarrollar sistemas receptores y transmisores de microondas con distintas aplicaciones”.

Investigadores y estudiantes de posgrado cuentan con sofisticados equipos como una cámara anecoica, diseñada y construida en el propio CICESE, y equipos de medición que permiten probar las antenas desarrolladas en el laboratorio con frecuencias de hasta 40 GHz.

Dividido en las áreas de diseño, medición y construcción de antenas y componentes, el Laboratorio de Altas Frecuencias se ha convertido en el espacio idóneo para la innovación tecnológica.