Procedimientos semipresenciales para el diseño y fabricación de filtros en asignaturas de RF y microondas.

pág. 0 Memo ia de p oyec os de inno ación y buenas p ác icas docen es A. Da os gene ales del p oyec o de inno ación y buenas p ác icas docen es Tí ulo P ocedimien os semip esenciales pa a el diseño y ab icación de il os en asigna u as de RF y mic oondas. Código 20-68 Fecha de Realización: Cu so 2020-2021 Coo dinación Apellidos González Ma ín Nomb e En ique Tipología Tipología de p oyec o 3. Adecuación de la docencia e inno ación educa i a a la sociedad ac ual. Rama del Conocimien o Elec ónica Línea de inno ación 3.1 Mejo a de las compe encias docen es en la uni e sidad ac ual B. Obje i o P incipal La docencia de asigna u as de adio ecuencia y mic oondas, de ma cado ca ác e mul idisciplina , es á gene almen e condicionada po un núme o de c édi os limi ado con espec o a un con enido de ma e ia ex enso, po lo que el p oceso de ap endizaje au ónomo del alumno/a es de capi al impo ancia. Es a pe spec i a, de au onomía e independencia del alumnado ha adqui ido un ca ác e aún más ma cado, si cabe, en el con ex o de docencia semip esencial asociada a la c isis ocasionada po la pandemia de COVID-19. Es e p oyec o ha es ado cen ado en el es udio de iabilidad de la implan ación de una he amien a docen e, desa ollada po los miemb os del equipo docen e, pa a la mejo a del p oceso de enseñanza/ap endizaje semip esencial de asigna u as de elec ónica de mic oondas y adio ecuencia. La he amien a implan ada consis ía en un so wa e de diseño de il os sob e ecnología mic os ip, con capacidad pa a expo a los layou de los diseños pa a su pos e io ab icación y ca ac e ización en las p ác icas de labo a o io. C. Desc ipción del p oyec o de inno ación y buenas p ác icas docen es Resumen del p oyec o ealizado: Obje i os, me odología, log os alcanzados, aplicación p ác ica a la docencia habi ual, e c. La mayo pa e de las so is icadas y po en es he amien as disponibles dedicadas a la simulación de ci cui os y sis emas de adio ecuencia y mic oondas ienen como p incipales de ec os un ele ado cos e y una baja pendien e de ap endizaje de alumnado, haciendo complicado su uso de ca a a la o mación semip esencial del es udian e con una al a ca ga de abajo au ónomo. Un segundo hándicap, más gene al, en el ámbi o de la enseñanza de la ingenie ía de mic oondas apa ece en las de iciencias pa a conec a ap opiadamen e los ma cos eó ico y expe imen al del p oceso de ap endizaje del es udian ado, cues ión que esul a especialmen e delicada po la al a complejidad concep ual de las asigna u as en es e campo. Pa a a a de sol en a es as di icul ades, obse adas a pa i de la expe iencia docen e de los miemb os del equipo, en es a p opues a se es udió la iabilidad de la implan ación, en dos asigna u as de elec ónica de mic oondas y adio ecuencia, de un simulado de ci cui os que pe mi ía al alumno la cons ucción de il os mic os ip y su simulación median e el modelado de cada una de sus pa es pa a pág. 1 su pos e io ab icación y medida en el labo a o io. La he amien a obje o de es udio debía cumpli con los siguien es obje i os: 1) Con ibui al ap endizaje au ónomo de los alumnos/as, pe mi iéndoles au oe alua su ni el de compe encias y guiándolos en el p oceso de adquisición de las mismas. El so wa e empleado debía dispone de una in e az de uso in ui i o con un núme o de he amien as limi ado, lo que pe mi i ía su uso comple o as un co o u o ial. Además, el so wa e debía pode se usado ue a del labo a o io, en e a he amien as con licencia come cial solo disponibles en las aulas de la Uni e sidad, explo ando sus posibilidades an e posibles escena ios de docencia semip esencial. 2) Se una he amien a ú il en el labo a o io pa a la ealización de p ác icas, así como pa a la conexión eó ico-expe imen al de las asigna u as de mic oondas y adio ecuencia. La capacidad del so wa e de gene a elemen os ha dwa e a pa i de los diseños de los es udian es, debía ayuda a cons ui elaciones en e los conocimien os eó icos y las habilidades p ác icas (medida de ci cui os en el labo a o io) del alumnado. 3) Facili a la comp esión y ans e encia de conocimien o a los alumnos. La he amien a de isualización debía ayuda a comp ende el lujo de diseño y los p ocedimien os in oluc ados a los alumnos pe mi iéndoles hace las conexiones pe inen es en e los layou en que consis en los ci cui os de al a ecuencia y su ap endizaje p e io a baja ecuencia en los p ime os cu sos del g ado. Asimismo, debía se i de apoyo en las clases eó ico-p ác icas al docen e pa a abo da y ejempli ica los diseños. Pa a lle a a cabo el p oyec o se con ó con un equipo de abajo con expe iencia docen e demos ada en el ámbi o de la ingenie ía de mic oondas y adio ecuencia, es uc u ado en o no a la ealización de las siguien es a eas: 1. Diseño de un p og ama de p ác icas sopo ado en el so wa e de simulación. Uno de los obje i os de es e p oyec o ue es udia la in eg abilidad del so wa e de simulación den o de los p og amas de p ác icas de las asigna u as de mic oondas y adio ecuencia. En pa icula , en la p ime a ase de es udio se conside a on las asigna u as de Elec ónica de Mic oondas del G ado de Ingenie ía en Tecnologías de Telecomunicación y Elec ónica de Al a F ecuencia y Op oelec ónica del Mas e Uni e si a io en Ingenie ía de Telecomunicación. El so wa e pe mi i ía en iquece el con enido de los semina ios de labo a o io ac ualmen e en ac i o y busca cub i las ca encias que el p o eso ado de es as asigna u as ha de ec ado en la conexión eó ico-expe imen al de los con enidos de la asigna u a. 2. Desa ollo de un guía de abajo au ónomo pa a el uso del so wa e de simulación Se c eó una guía de ap endizaje au ónomo pa a el diseño de il os de mic oondas que usaba como sopo e la he amien a el so wa e desa ollado. Adicionalmen e se desa olla on guiones de labo a o io pa a el diseño de los il os con el obje i o de po encia el posible abajo au ónomo en una si uación de con inamien o. Pa a acili a el abajo independien e y e i a escena ios injus os en el desa ollo del abajo del es udian ado los diseños con enidos en es os guiones ue on pa icula izados pa a cada es udian e, po ejemplo, ijando la ecuencia de diseño del il o en unción de las ci as de su documen o de iden idad. pág. 2 3. Re isión y ac ualización del so wa e didác ico y comp obación de su compa ibilidad con los elemen os ha dwa e. En es a a ea se e isó y ac ualizó el paque e so wa e obje o de es udio en es e p oyec o pa a su aplicación en clases, p ác icas y como he amien a de abajo au ónomo pa a los alumnos. Se a a de un paque e ya desa ollado po un alumno de la ex in a Ingenie ía de Telecomunicación du an e su P oyec o Fin de Ca e a cuya capacidad de simulación y de expo ación de layou ue on e i icadas. En es a a ea se comp obó y ac ualizó el so wa e pa a ga an iza su compa ibilidad en la expo ación de layou . 4. Ca ac e ización de los il os sob e ecnología mic os ip Los diseños ealizados median e el so wa e y los layou pa a su ab icación se compa a on con diseños ya ab icado sob e ecnología mic os ip disponibles en el labo a o io. Es os ci cui os son los que ac ualmen e es án a disposición de los es udian es pa a su medida y compa ación con los esul ados eó icos du an e las sesiones p esenciales de labo a o io. 5. E aluación del p oyec o Finalmen e se implemen a on las he amien as de consul a y e aluación necesa ias pa a conoce cual se ía la expe iencia de los alumnos an e una implan ación de la he amien a desa ollada y de ec a de iciencias. Summa y o he P ojec (In English): Mos o he sophis ica ed and powe ul ools dedica ed o he simula ion o adio equency and mic owa e ci cui s sys ems ha e as hei main de ec s: a high cos and a low slope o s uden lea ning, making hei use di icul o he s uden 's sel -lea ning specially when hey ca y wi h a high load o au onomous wo k. A second and mo e gene al handicap in he ield o mic owa e enginee ing eaching ega ds he de iciencies o p ope ly connec he heo e ical and expe imen al amewo ks du ing he s uden 's lea ning p ocess, an issue ha is especially delica e due o he high concep ual complexi y o he subjec s in his ield. In o de o y o sol e hese di icul ies, obse ed om he eaching expe ience o he eam membe s, his p oposal s udied he implemen a ion iabili y in wo subjec s o mic owa e and adio equency elec onics o a ci cui simula o ha allowed he s uden o build mic os ip il e s and simula e hem by modeling each o i s pa s o subsequen ab ica ion and measu emen in he labo a o y. The s udied ool should be in ended o mee he ollowing objec i es: 1) To con ibu e o he au onomous lea ning o s uden s, allowing hem o sel -assess hei le el o skills and guiding hem in he p ocess o lea ning. The so wa e should ha e an in ui i e use in e ace wi h a limi ed numbe o ools, which allowed i s ull use a e a sho u o ial. The possibili y o using he so wa e ou side he labo a o y, con a y o hose ools wi h a comme cial license only a ailable in Uni e si y class ooms, should enhance i s possibili ies in he ace o possible mixed eaching scena ios. 2) To be a use ul ool in he labo a o y o ca y ou p ac ical lessons, as well as o enhance he heo e ical-expe imen al connec ion o mic owa e and adio equency subjec s. The abili y o he so wa e o gene a e ha dwa e elemen s om he s uden s' designs would help o build connec ions pág. 3 be ween he heo e ical knowledge and he p ac ical skills (measu emen o ci cui s in he labo a o y) o he s uden s. 3) To acili a e he unde s anding and ans e o knowledge o s uden s. The isualiza ion ool would help s uden s unde s and he design low and he p ocedu es in ol ed on i , allowing hem o make he pe inen connec ions be ween he layou s o he high- equency ci cui s and hei p e ious low- equency knowledge in he i s yea s o he deg ee. Likewise, i would se e as suppo in he heo e ical-p ac ical classes o he eache o app oach and exempli y he designs. In o de o ca y ou he p ojec , he e was a wo k eam wi h demons a ed eaching expe ience in he ield o mic owa e and adio equency enginee ing, s uc u ed a ound he ollowing asks: 1. Design o a lab syllabus suppo ed by he simula ion so wa e. One o he objec i es o his p ojec was o s udy he in eg a ion o he simula ion so wa e wi hin he p ac ical p og ams o mic owa e and adio equency cou ses. In pa icula , in he i s phase o he implemen a ion iabili y, he Mic owa e Elec onics cou se o he Enginee ing Deg ee in Telecommunica ion Technologies and he High F equency Elec onics and Op oelec onics cou se o he Mas e Deg ee in Telecommunica ions Enginee ing we e conside ed. The so wa e was used o en ich he con en o he cu en ly ac i e labo a o y semina s and sough o co e he gaps ha he eache s o hese subjec s ha e de ec ed in he heo e ical-expe imen al connec ion o he subjec 's con en s. 2. De elopmen o an au onomous wo k guide o he use o he simula ion so wa e An au onomous lea ning guide o he design o mic owa e il e s was c ea ed, using he de eloped so wa e as suppo . Addi ionally, labo a o y sc ip s we e de eloped o he design o he il e s in o de o p omo e he possible au onomous wo k in a lock-down si ua ion. In o de o acili a e he s uden independen wo k and a oid un ai scena ios in i s de elopmen , he designs con ained in hese sc ip s we e indi idualized o each s uden , o example, by se ing he il e design equency based on he igu es on hei iden i y documen . 3. Re iew and upda e o he didac ic so wa e and check i s compa ibili y wi h he ha dwa e elemen s. In his ask, he so wa e package used in he p ojec was e iewed and upda ed o i s applica ion in he lessons, lab p ac ices and as an au onomous wo k ool o s uden s. I is a package al eady de eloped by a s uden o he old Telecommunica ion Enginee ing Deg ee du ing his Final Deg ee P ojec whose simula ion and layou expo capaci y we e e i ied. In his ask he in-house so wa e was checked and upda ed in o de o alida e i s compa ibili y wi h he layou expo a ion. 4. Cha ac e iza ion o he il e s on mic os ip echnology The designs made using he in-house so wa e and hei layou o hei ab ica ion we e compa ed wi h designs al eady manu ac u ed using mic os ip echnology a ailable in he labo a o y. These ci cui s a e he ones ha a e cu en ly a ailable o s uden s o hei measu emen and compa ison wi h he heo e ical esul s du ing he labo a o y sessions. pág. 4 5. P ojec e alua ion Finally, he necessa y consul a ion and e alua ion ools we e implemen ed o ind ou wha he s uden s' expe ience would be in he case o an implemen a ion o he de eloped ool and de ec de iciencies. D. Resul ados ob enidos En es e apa ado se de allan los esul ados ob enidos a pa i del p oyec o de inno ación docen e. En p ime luga , se ha desa ollado un p og ama de p ác icas coo dinado pa a las asigna u as de Elec ónica de Mic oondas (3º Ingenie ía en Tecnologías de Telecomunicación) y Elec ónica de Al a F ecuencia y Op oelec ónica (Más e en Ingenie ía de Telecomunicación). Pues o que la educación en compe encias es á ín imamen e elacionada con la expe iencia p ác ica, con la necesidad de elaciona y usa conocimien os pa a log a un in de e minado, el p og ama p ác ico de la asigna u a cons i uye una he amien a esencial en el p oceso de ap endizaje en el EEES. Po ello, el obje i o más impo an e que se plan eó cons i uía el diseño de un p og ama de p ác icas adecuado a las necesidades de las dos asigna u as desde una pe spec i a semi-p esencial. Ac ualmen e se es á abajando en la edacción de un manual de labo a o io de adio- ecuencia y mic oondas que cub a las necesidades del p og ama de p ác icas desde es a pe spec i a. En segundo luga , se ha comp obado y ac ualizado un paque e de he amien as so wa e (MWSim) des inado a cub i las dis in as ases de la o mación del alumnado con el p opósi o de: a) Apoya la docencia eó ica y p ác ica con la isualización de los enómenos ísicos que gobie nan el compo amien o de los ci cui os de muy al a ecuencia o la simulación de dichos ci cui os. b) Mejo a del p oceso de o mación au ónoma del alumnado median e he amien as so wa e de simulación numé ica que pe mi an la ijación de los concep os in oducidos en clase. Es as he amien as deben sol en a los p oblemas exis en es (ya mencionadaos) en las que se encuen an ac ualmen e disponibles que son he amien as come ciales. El obje i o de es a segunda acción es á básicamen e elacionado con la ijación del conocimien o a a és de expe iencias p ác icas y ejemplos de ci cui os eales con in e és en el diseño de ci cui os de al a ecuencia. Con espec o al p ime pun o: el diseño del p og ama de p ác icas se di idió esencialmen e en dos pa es: el labo a o io de ins umen ación y el labo a o io de simulación numé ica. a) En el labo a o io de ins umen ación, se desa olló un sis ema de p ác icas que op imiza el uso de los ecu sos ha dwa e del labo a o io, po enciando el abajo en g upo del alumnado. Los alumnos acceden al uso de algunos de los p incipales ins umen os en el ango de las mic oondas, como el Analizado de Redes, el Analizado de Espec os o el Analizado de Figu a de Ruido. b) Pa a el labo a o io de simulación numé ica, se es udiada on las denominadas e siones de pág. 5 e aluación o ecidas po p og amas p o esionales de diseño de ci cui os (PSpice, Anso Designe , Mic owa e S udio…). Se comp obó que las p incipales he amien as disponibles de o ma g a ui a, como Agilen ADS y Anso Designe , son e siones de uncionalidad limi ada, que no pe mi en ealiza algunas de las unciones deseadas en el p og ama de p ác icas. En pa icula , ca ecen de un sis ema adecuado de impo ación/expo ación de da os y geome ías de ci cui os. Sin emba go, el uso de cualquie a de es os dos p og amas pa a la compa ación con los esul ados de simulaciones con el simulado MWSim es muy ú il y po an o al amen e ecomendado su uso en un labo a o io a anzado de mic oondas. Sin emba go, pa a la ealización del p oceso de diseño/op imización/ ab icación que se conside a en una po encial implan ación del po g ama p ác icas, se conside ó el paque e de he amien as MWSim. Con espec o al segundo pun o, de comp obación y ac ualización del so wa e MWSim, se esumen a con inuación las p incipales ca ac e ís icas del mismo. Simulado básico de mic oondas MWSim Exis en nume osas he amien as come ciales de simulación de ci cui os de RF y mic oondas. La mayo pa e de ellas consis en en la in eg ación de simulado es elec omagné icos 3D o 2.5D (simulado es 2D que ienen en cuen a la p esencia del plano de ie a en es uc u as mic os ip) en el diseño de sis emas basados en bloques (median e modelado de pa áme os S, en es e caso). Algunos ejemplos de es e ipo de paque es come ciales son el sis ema de Agilen Ad anced Design Sys em (ADS), AWR Co p. Mic owa e O ice o el p og ama Anso Designe . Sin emba go, el uso adecuado de es as he amien as hace necesa io un en enamien o in enso que no se puede alcanza en un cu so in oduc o io de mic oondas. Además, como ya se ha mencionado sólo algunos de es os códigos es án disponibles en e siones de es udian es, y es as e siones es án habi ualmen e uncadas de o ma que buena pa e de su uncionalidad desapa ece. Como la solución de las ecuaciones de Maxwell median e mé odos numé icos es inhe en emen e necesa ia en el diseño de an enas, hemos conside ado que la docencia de mic oondas debe cen a se en el modelado median e pa áme os de sca e ing y que po an o el diseño CAD (Compu e -Aided Design) en la asigna u a de mic oondas se cen a ía en la simulación basada en modelos de líneas de ansmisión plana es. Un código excelen e basado en modelos de líneas de ansmisión y de ma cado ca ác e docen e es PUFF. Es e código ue desa ollado a inales de la década de 1980 y ha sido usado du an e casi es décadas con asiduidad en el en o no académico. Sus p incipales en ajas espec o a los códigos come ciales son: 1. Es más in ui i o, pues pe mi e a los es udian es e el ci cui o que simulan, en con as e con o os simulado es basados en modelo (po ejemplo, el de ADS). 2. Los modelos implemen ados son simples pe o su icien emen e p ecisos pa a un cu so in oduc o io. 3. Es una he amien a g a ui a, en con as e con los ca ísimos códigos come ciales. Sin emba go, PUFF ue diseñado pa a MS-DOS y po an o su es é ica y manejo di ie en de los es ánda es ac uales. Siguiendo el ejemplo de PUFF, en es e p oyec o de inno ación docen e se ha chequeado y ac ualizado MWSim, un simulado basado en modelos. Sus p incipales di e encias con PUFF son: pág. 6 i) in e az g á ico ac ualizado a los es ánda es ac uales. ii) una mayo a iedad de modelos mic os ip, lo que le pe mi e ob ene esul ados más p ecisos simila es a los de he amien as come ciales. iii) un o ma o de en ada/salida o almen e compa ible con el es ánda Touchs one (que pe mi e el uso de écnicas de embedding y de-embedding con medidas del analizado ec o ial de edes (VNA) del labo a o io, con simulado es elec omagné icos y con los da os p opo cionados po ab ican es de semiconduc o es. i ) incluye la posibilidad de expo a iche os al o ma o Ge be . La úl ima ca ac e ís ica es especialmen e impo an e pues pe mi i á a los es udian es expo a sus diseños a iche os de geome ía y ab ica los usando máquinas au omá icas de esado, como las exis en es en el labo a o io 3.11 de la ETSIIT. Las igu as 1 y 2 mues an dos de las pan allas del simulado (in oducción de da os y esul ados). En las igu as 3 y 4 se mues a un il o paso bajo diseñado que ue ab icado haciendo uso de las ca ac e ís icas de expo ación de MWSim. Se han edac ado manuales de ayuda y de explicación del mé odo numé ico empleado. Figu a 1. In e az de usua io del simulado MWSim pág. 7 Figu a 2. Pan alla de esul ados del simulado MWSim Figu a 3. Fil o paso bajo ab icado a pa i de un diseño ealizado en MWSim Figu a 4. Respues a del il o diseñado y ab icado con MWSim y medido con el VNA. pág. 8 Resul s ob ained (In English) This sec ion de ails he esul s ob ained om he eaching inno a ion p ojec , which consis s o : In he i s place, a coo dina ed p og am has been de eloped o he subjec s o Mic owa e Elec onics (3 d Enginee ing in Telecommunica ions Technologies) and High F equency Elec onics and Op oelec onics (Mas e in Telecommunica ions Enginee ing). Since educa ion in skills is closely ela ed o p ac ical expe ience, wi h he need o ela e and use knowledge o achie e a speci ic pu pose, he p ac ical p og am o he subjec is an essen ial ool in he lea ning p ocess in he EHEA. Fo his eason, he mos impo an objec i e ha was aised was he design o a labo a o y syllabus adap ed o he needs o he wo subjec s om a semi- ace- o- ace pe spec i e. Cu en ly, wo k is being done on he d a ing o a adio- equency and mic owa e labo a o y manual ha co e s he necessi ies o he labo a o y syllabus om his pe spec i e. Secondly, a so wa e ool package (MWSim) has been checked and upda ed o co e he di e en phases o s uden aining in o de o: a) Suppo heo e ical and p ac ical eaching wi h he isualiza ion o he physical phenomena ha go e n he beha io o e y high equency ci cui s o hei simula ion. b) Imp o e he p ocess o au onomous aining o s uden s h ough nume ical simula ion so wa e ools ha allow he assimila ion o he concep s in oduced in class. These ools should sol e he exis ing p oblems in comme cial ools. The objec i e o his second ac ion is basically ela ed o he es ablishmen o knowledge h ough p ac ical expe iences and examples o eal ci cui s wi h an in e es in he design o high equency ci cui s. Rega ding he i s poin : he design o he p ac ical p og am has been essen ially di ided in o wo pa s: he ins umen a ion labo a o y and he nume ical simula ion labo a o y. a) In he ins umen a ion labo a o y, a sys em has been de eloped o op imize he use o he labo a o y ha dwa e esou ces, enhancing he g oup wo k o he s uden s. S uden s ha e access o he use o some o he main ins umen s in he mic owa e ange, such as he Ne wo k Analyze , he Spec um Analyze o he Noise Figu e Analyze . b) Fo he nume ical simula ion labo a o y, he so-called e alua ion e sions o e ed by p o essional ci cui design p og ams (PSpice, Anso Designe , Mic owa e S udio…) ha e been conside ed. The main ools a ailable o ee, such as Agilen ADS and Anso Designe , ha e been ound o be limi ed- unc ionali y e sions, which do no allow you o pe o m some o he desi ed unc ions in he lab syllabus. In pa icula , hey lack an adequa e sys em o impo ing / expo ing da a and ci cui geome ies. Howe e , he use o ei he o hese wo p og ams o compa ison wi h he simula ion esul s wi h he MWSim simula o is e y use ul and he e o e highly ecommended o use in an ad anced mic owa e labo a o y. Howe e , o ca y ou he design / op imiza ion / manu ac u ing p ocess ha is in ended o be ca ied ou in he lab, he MWSim ool package has been conside ed.