Repositorio Institucional de Documentos

A mi familia y mis amigos por haberme apoyado y ayudado a lo largo de estos años. RESUMEN En el presente Proyecto Final de Carrera se realiza el estudio de una antena microstrip reconfigurable basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias. La antena se diseña para funcionar bajo el estándar de TETRA. Se diseñan dos antenas reconfigurables: una no compacta y otra compacta. De cada antena se analiza su impedancia de entrada y los diagramas de radiación obtenidos. El sintetizador de impedancias es utilizado para mejorar las prestaciones de la antena y hacer viable su utilización. A lo largo del proyecto se establecen los objetivos a cumplir y el modo de obtención de los resultados. El proceso de diseño de las antenas se realiza con el simulador de alta frecuencia HFSS y el del sintetizador de impedancias con Microwave Office. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias i ÍNDICE GENERAL 1. Introducción y objetivos.............................................................................. 1 1.1 Presentación............................................................................................ 1 1.2 Justificación............................................................................................ 1 1.3 Objetivos................................................................................................. 2 1.4 Contenido del proyecto .......................................................................... 2 2. Estudio del sistema TETRA y antenas microstrip reconfigurables....... 4 2.1 Introducción al sistema TETRA ............................................................ 4 2.2 Características del sistema TETRA ....................................................... 4 2.2.1 Descripción del estándar TETRA ............................................ 4 2.2.2 Análisis técnico de las comunicaciones en TETRA ................ 6 2.3 Estudio de antenas microstrip reconfigurables ..................................... 8 2.3.1 Descripción técnica de antenas microstrip ........................... 8 2.3.2 Conceptos de antenas reconfigurables .................................. 9 2.3.3 Aplicaciones de antenas reconfigurables .............................. 11 2.4 Efecto del entorno en la desadaptación de la antena ............................. 12 2.4.1 Técnicas de mitigación ......................................................... 13 3. Diseño de antenas reconfigurables en banda del sistema TETRA ......... 15 3.1 Especificaciones eléctricas ..................................................................... 15 3.2 Diseño de antena reconfigurable: antena no compacta .......................... 15 3.2.1 Metodología de diseño .......................................................... 16 3.2.2 Antena reconfigurable no compacta: espira rectangular ....... 16 3.2.2.1 Configuración de la simulación ........................... 17 3.2.2.2 Estructura de la geometría radiante ..................... 17 3.2.2.3 Resultado de las simulaciones: switches ............. 18 3.2.2.4 Resultado de las simulaciones: condensadores y bobinas .............................................................. 20 3.2.2.5 Evaluación de resultados y necesidades .............. 25 3.3 Diseño de antena reconfigurable: antena compacta ............................... 26 3.3.1 Metodología de diseño .......................................................... 26 3.3.2 Antena reconfigurable compacta: conjunto espiras .............. 26 hexagonales 3.3.2.1 Configuración de la simulación ........................... 26 3.3.2.2 Estructura de la geometría radiante ...................... 27 3.3.2.3 Resultado de las simulaciones: switches .............. 27 3.3.2.4 Resultado de las simulaciones: condensadores y bobinas .............................................................. 29 3.3.2.5 Evaluación de resultados y necesidades ............... 33 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias ii 4. Implementación del sintetizador de impedancias ..................................... 35 4.1 Proceso de diseño del sintetizador: espira rectangular ............................ 35 4.1.1 Adaptadores de impedancia .................................................... 35 4.1.2 Diseño con cargas reales: sintetizador automático ................. 35 4.2 Proceso de diseño del sintetizador: array de hexágonos ......................... 39 4.2.1 Adaptadores de impedancia .................................................... 39 4.2.2 Diseño con cargas reales: sintetizador automático ................. 40 4.3 Evaluación etapa de sintetizador ............................................................. 42 5. Resultados experimentales .......................................................................... 43 5.1 Topología final ......................................................................................... 43 5.2 Validación experimental .......................................................................... 46 5.3 Comparativa entre resultados experimentales y simulados. Conclusiones ............................................................................................ 52 6. Conclusiones .................................................................................................. 53 REFERENCIAS ............................................................................................ 55 ANEXO. I. Descripción del simulador HFSS11..................................................... A-1 ANEXO. II. Descripción del simulador Microwave Office 9.0.............................. A-5 ANEXO. III. Parámetros básicos de Antenas ........................................................ A-8 ANEXO. III.1. Impedancia, Relación de Onda Estacionaria y Adaptación de la entrada ................................................. A-8 ANEXO. III.2. Densidad de Potencia Radiada, Intensidad de Radiación y Diagrama de Radiación ................................................... A-11 ANEXO. III.3. Directividad, Ganancia de Antena y Ancho de Banda .............................................................. A-13 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias iii ANEXO. IV. Prueba de obtención de Reconfigurabilidad para una Antena de Tetra ....................................................................................... A-15 ANEXO. IV.1. Simulación de la Geometría Radiante............................. A-15 ANEXO. IV.2. Modificación realizada .................................................. A-17 ANEXO. IV.3. Conclusiones obtenidas ................................................. A-18 ANEXO. V. Ampliación del estudio del estándar TETRA ....................................... A-20 ANEXO. V.1. Codificación y Modulación en TETRA.......................... A-20 ANEXO. V. 2. Aplicaciones en Comunicaciones Móviles..................... A-22 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias iv Lista de Figuras Figura.2.1- Sistema TETRA e interconexión con otras redes ......................................... 6 Figura.2.2- TDMA en comunicaciones TETRA ............................................................. 7 Figura.2.3- Comparativa TETRA con otros estándares de comunicaciones ................... 7 Figura.2.4 – Antena básica microstrip ............................................................................. 8 Figura.2.5- Ejemplo Antena Reconfigurable mediante diodos y cargas ......................... 10 Figura.2.6 – Sistema de comunicaciones MIMO, múltiples antenas TX-RX ................. 11 Figura.2.7- Red de adaptación en ‘pi’ ............................................................................. 13 Figura.2.8- Red de adaptación con inversores ................................................................ 13 Figura.2.9- Esquema del montaje final de la antena ....................................................... 14 Figura.3.1- Estructura de la antena reconfigurable no compacta .................................... 17 Figura.3.2- Equivalente circuital ON Switch .................................................................. 18 Figura.3.3- Equivalente circuital OFF Switch ................................................................. 18 Figura.3.4 - Pérdidas de retorno utilizando switches de la antena no compacta ............. 19 Figura.3.5 - Comparativa entre dos configuraciones diferentes de la antena .................. 19 Figura.3.6- Pérdidas de retorno de la antena reconfigurable no compacta ...................... 20 Figura.3.7- Configuración 1. Diagrama de radiación. Plano X-Z. ................................ 21 Figura.3.8- Configuración 2. Diagrama de radiación. Plano X-Z. ................................ 21 Figura.3.9- Configuración 3. Diagrama de radiación. Plano X-Z. ................................ 22 Figura.3.10- Configuración 4. Diagrama de radiación. Plano X-Z. ................................. 22 Figura.3.11- Configuración 5. Diagrama de radiación. Plano X-Z. ................................. 22 Figura.3.12- Configuración 1. Diagrama de radiación. Plano Y-Z.................................. 22 Figura.3.13- Configuración 2. Diagrama de radiación. Plano Y-Z. ................................. 22 Figura.3.14- Configuración 3. Diagrama de radiación. Plano Y-Z.................................. 23 Figura.3.15- Configuración 4. Diagrama de radiación. Plano Y-Z. ................................. 23 Figura.3.16- Configuración 5. Diagrama de radiación. Plano Y-Z. ................................. 23 Figura.3.17- Configuración 1. Diagrama de radiación. Plano X-Y.................................. 23 Figura.3.18- Configuración 2. Diagrama de radiación. Plano X-Y. ................................. 23 Figura.3.19- Configuración 3. Diagrama de radiación. Plano X-Y................................... 23 Figura.3.20- Configuración 4. Diagrama de radiación. Plano X-Y. ................................. 23 Figura.3.21- Configuración 5. Diagrama de radiación. Plano X-Y. ................................. 24 Figura.3.22 – Estructura de antena reconfigurable compacta ........................................... 27 Figura.3.23- Pérdidas de retorno utilizando switches en la antena compacta ................... 28 Figura.3.24- Comparativa entre dos configuraciones distintas de la antena ..................... 28 Figura.3.25 - Pérdidas de retorno en la antena reconfigurable compacta ......................... 29 Figura.3.26- Configuración 1. Diagrama de radiación. Plano X-Z................................... 30 Figura.3.27- Configuración 2. Diagrama de radiación. Plano X-Z. .................................. 30 Figura.3.28- Configuración 3. Diagrama de radiación. Plano X-Z. ................................. 30 Figura.3.29- Configuración 4. Diagrama de radiación. Plano X-Z. .................................. 30 Figura.3.30- Configuración 1. Diagrama de radiación. Plano Y-Z................................... 31 Figura.3.31- Configuración 2. Diagrama de radiación. Plano Y-Z. .................................. 31 Figura.3.32- Configuración 3. Diagrama de radiación. Plano Y-Z................................... 32 Figura.3.33- Configuración 4. Diagrama de radiación. Plano Y-Z. .................................. 32 Figura.3.34- Configuración 1. Diagrama de radiación. Plano X-Y................................... 32 Figura.3.35- Configuración 2. Diagrama de radiación. Plano X-Y. ................................. 32 Figura.3.36- Configuración 3. Diagrama de radiación. Plano X-Y.................................. 33 Figura.3.37- Configuración 4. Diagrama de radiación. Plano X-Y. ................................. 33 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias v Figura 4.1- Red de adaptación ideal de la antena no compacta ........................................ 35 Figura.4.2 –Pérdidas de retorno con la red de adaptación ideal ........................................ 36 Figura.4.3- Red de adaptación con cargas reales .............................................................. 37 Figura.4.4 – Pérdidas de retorno con la red de adaptación real ........................................ 37 Figura 4.5- Sintetizador automático de adaptación .......................................................... 38 Figura.4.6- Red de adaptación ideal de la antena compacta ............................................. 39 Figura.4.7- Pérdidas de adaptación con la red ideal .......................................................... 40 Figura.4.8 – Red de adaptación con cargas reales de la antena compacta......................... 40 Figura.4.9- Pérdidas de adaptación con cargas reales........................................................ 41 Figura. 4.10 – Sintetizador automático de impedancias para la antena compacta............. 42 Figura.5.1- Circuito conmutable de cargas con switches reales, bobina seleccionada ..... 43 Figura.5.2- Circuito conmutable de cargas con switches reales, condensador ................. 44 seleccionado Figura.5.3- Comparativa bobina ideal y bobina real con switches.................................... 44 Figura.5.4- Comparativa entre condensador ideal y condensador con switches ............... 45 Figura 5.5- Montaje físico de la antena compacta sin stubs............................................... 46 Figura 5.6- Montaje físico de la antena compacta con stubs.............................................. 47 Figura.5.7- Montaje físico del sistema de medida de la antena ........................................ 47 Figura.5.8- Resultados del montaje físico de la configuración 4 de la antena compacta... 48 Figura.5.9- Resultado de la simulación en la configuración 4 de la antena compacta ...... 49 Figura.5.10- Simulación de la configuración 1 de la antena con condensadores de 2 pF.. 49 Figura.5.11- Resultado experimental al cambiar la conexión de los gaps ........................ 50 Figura 5.12- Resultado experimental de la configuración 2 de la antena compacta ........ 50 Figura.5.13- Resultados experimentales de la configuración 3 en la antena compacta .... 51 Figura A.1.- Mallado de una estructura simulada ............................................................. A-2 Figura A.2.- Representación de los campos electromagnéticos en la superficie de un avión .................................................................................................... A-2 Figura A.3.- Representación en Cartesianas, Pérdidas de Retorno de .............................. A-3 una antena diseñada Figura. A.4.- Representación 3D de la ganancia de una antena ........................................ A-3 Figura. A.5.- Representación del error en la simulación en HFSS ................................... A-4 Figura. A.6.- Ejemplo Circuito esquemático en Microwave Office 9.0 ........................... A-6 Figura. A.7.- Ejemplo gráficos en MicroWave Office ...................................................... A-6 Figura. A.8.- Menú con elementos sintonizados ............................................................... A-7 Figura. A.9.- Menú del optimizador de elementos circuitales .......................................... A-7 Figura. A.10.- Ejemplo línea de transmisión .................................................................... A-9 Figura. A.11.- Sistema de coordenadas esférico ............................................................... A-11 Figura. A.12.- Diagramas de radiación en 3D, isótropo, omnidireccional ........................ A-12 y directivo Figura. A.13.- Diagrama de radiación en coordenadas polares y en cartesianas............... A-13 Figura. A.14.- Antena a simular ........................................................................................ A-15 Figura. A.15.- Pérdidas de retorno de la antena simulada ................................................ A-16 Figura. A.16.- Diagrama de radiación de la antena simulada. .......................................... A-16 Cortes con el plano XZ (continuo) e YZ (discontinuo) Figura. A.17.- Pérdidas de adaptación con la antena TETRA .......................................... A-17 y carga modificada Figura. A.18.- Diagrama de radiación antena TETRA modificada. ................................. A-18 Corte plano XZ(continuo) e YZ (discontinuo) Figura. A.19- Esquema de los códec de la familia CELP ................................................. A-20 Figura.A.20- Constelación de símbolos de la modulación π/4 DPSK .............................. A-21 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias vi Lista de Tablas Tabla.2.1- Características del estándar TETRA ................................................................ 5 Tabla.2.2- Bandas de frecuencia recomendadas para TETRA........................................... 5 Tabla.3.1- Equivalencia funcional del condensador y bobina........................................... 16 Tabla.3.2 - Diferentes configuraciones de las cargas en la antena no compacta ............... 20 Tabla.3.3 – Características de las diferentes configuraciones de las cargas ...................... 21 Tabla.3.4- Directividad plano X-Y .................................................................................... 24 Tabla.3.5- Directividad plano Y-Z .................................................................................... 24 Tabla.3.6- Directividad en plano X-Z ............................................................................... 25 Tabla.3.7- Diferentes configuraciones de las cargas en la antena compacta ..................... 29 Tabla.3.8- Directividad plano X-Z .................................................................................... 31 Tabla.3.9 – Directividad plano Y-Z ................................................................................... 32 Tabla 3.10 - Directividad plan X-Y................................................................................... 33 Tabla.4.1 –Valores ideales de las cargas de adaptación .................................................... 36 Tabla.4.2- Valores de las cargas reales de adaptación....................................................... 37 Tabla.4.3- Valores ideales de la bobina variable ............................................................... 39 Tabla.4.4- Valores de la bobina variable real .................................................................... 41 Tabla. 5.1- Valores de las cargas en las antenas reconfigurables ...................................... 45 Tabla.A.1- Salto de fase en la modulación π/4 DPSK ...................................................... A-21 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias vii GLOSARIO GLOSARIO DE ACRONIMOS TETRA Terrestral Trunked Radio ETSI European Telecommunications Standars Institute GSM Global System for Mobile Communication DQPSK Differential Quadrate Phase Shift Keying TDMA Time Division Multiple Access TDD Time Division Duplex FDD Frecuency Division Duplex ERO European Radio Office CEPT Council of European Post Telecommunications UL Up Link DL Down Link MSC Mobile Switching Center BTS Base Transceiver Station PABX Private Automatic Branch Exchange PDO Packet Data Optimized BER Bit Error Rate CELP Code Excited Linear Prediction DPSK Differential Phase Shift Keying SMS Short Message Service UWB Ultra Wide Band MIMO Multiple Input Multiple Output VSWR Voltage Standing Wave Radio IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers MEG Mean Effective Gain Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 6 2.2.2 ANALISIS TÉCNICO DE LAS COMUNICACIONES TETRA Las redes de radio basadas en el sistema TETRA se articulan en torno a los centros de conmutación MSC que permite realizar la conexión con las BTS y además enlaza con otras redes públicas y privadas (Internet, X25,…). También permite la conexión directa a PABX y terminales locales de línea a las BTS. En la figura adjunta se puede observar un ejemplo de estas redes [Ref.16]: Figura.2.1- Sistema TETRA e interconexión con otras redes En estas redes, existen básicamente dos modos de funcionamiento: • Modo Voz + Datos (V+D). Para aplicaciones de telefonía y datos • Modo paquetes de datos optimizados (PDO: Packet Data Optimized). Para aplicaciones de intercambio electrónico y mensajería vocal así como localización y gestión de vehículos. Así, dependiendo del funcionamiento de la red, presentará una serie de características básicas. Para TETRA V+D [Ref.4 cap.5] [Ref.5 pág.239], según las hipótesis de red establecidas por ETSI, se tiene: • Tiempo de establecimiento de llamada < 30 ms. • Grado de servicio:5% • Tiempo de establecimiento de llamadas de 300 ms. para sistemas de conmutación de circuitos y de hasta 2 s. para conmutación de paquetes. • En los sistemas de conmutación de paquetes orientados a conexión el retardo de tránsito será menor a 500 ms. En los sistemas no orientados a conexión el retardo varía entre 3s., 5s. y 10s. según la prioridad dada a los paquetes. • Régimen binario neto hasta 19,2 kbit/s. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 7 En sistemas TETRA PDO sus características básicas serán [Ref.5 pág.240]: • Retardo de tránsito a través de la interfaz radio < 100 ms. • Tasa de errores BER < 10 -10 • Dimensiones de paquetes similares a la transmisión por línea. En ambos sistemas, la calidad de voz obtenida es mejor que en los sistemas analógicos. Las dos modalidades soportan el mismo tipo de equipos, exceptuando los terminales móviles de voz que son propios de los sistemas TETRA PDO. TETRA funciona como un sistema digital con multiacceso por TDMA [Ref.5 cap.9.4]. Esto supone que cada usuario trasmite y recibe en forma de ráfagas de bits entre intervalos en los que no se transmite nada [Fig.2.2]. Los bits de información se someten a procesamiento digital para mejorar las prestaciones de la comunicación y aumentar la privacidad. Figura.2.2- TDMA en comunicaciones TETRA El estándar de TETRA supone una mejora importante en eficiencia espectral y número de canales con respecto a los estándares utilizados anteriormente [Fig.2.3]. Figura.2.3- Comparativa TETRA con otros estándares de comunicaciones Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 8 2.3. ESTUDIO DE ANTENAS MICROSTRIP RECONFIGURABLES Se define como antenas microstrip reconfigurables a aquellas que permiten cambios reversibles en algunas de sus características, como pueden ser la frecuencia de resonancia de la antena o su diagrama de radiación. Las antenas irán impresas en un substrato, facilitando su implementación en dispositivos móviles. 2.3.1 DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE ANTENAS MICROSTRIP Las antenas de tipo microstrip son antenas que van impresas en sobre un substrato de permitividad relativa ε r . Esto supone que puedan integrarse en el mismo diseño que un aparato de comunicaciones como un elemento electrónico más. El uso de esta tecnología en dispositivos móviles ha permitido una gran reducción en sus dimensiones, ya que habitualmente solía ser la antena el elemento de mayor tamaño y requería construirse como un elemento aparte del conjunto del mismo. Por ello, se trata de un tipo de antena de gran uso en la actualidad. Las antenas microstrip suelen presentar un ancho de banda [Anexo III pág. 14] reducido que depende del espesor del dieléctrico, lo cual hace que se utilicen para frecuencias dentro de la banda de las microondas. Suelen presentar una baja eficiencia de radiación [Anexo III pág. 9], así como un baja directividad [Anexo III pág.13]. Ello hace que suelan utilizarse como array de parches para aumentar la directividad del conjunto y ampliar las aplicaciones de las mismas, siempre que las dimensiones del conjunto no supongan una limitación. Las antenas de tipo microstrip suelen ser fáciles de fabricar y baratas, además de su fácil integración en circuitos. Precisamente por ese interés comercial de las mismas, se están llevando a cabo una gran cantidad de estudios para conseguir solventar los inconvenientes que presentan, como sería el uso de antenas microstrip de banda ancha y antenas sectoriales que mejoren su directividad. Los parámetros de diseño habituales de las antenas microstrip suelen ser : Figura.2.4 – Antena básica microstrip Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 9 • L: Representa la longitud del parche y es el parámetro habitual que fija la frecuencia de diseño . [Ref. 9 pág. 819] reffo f c L ε 2 = (2.4) c representa la velocidad de la luz y su valor es c=3*10 8 m/s, f o representa la frecuencia de resonancia y ε reff es la permitividad dieléctrica relativa efectiva del substrato. • ε reff : Permitividad relativa efectiva que fija el substrato elegido y que influye en las dimensiones del parche.[Ref. 9 pág. 817]. 2 1 )121( 2 1 2 1 − + − + + =l h rr reff εε ε (2.5) ε r representa la permitividad dieléctrica relativa del substrato, h es el espesor del mismo y l su longitud. • ∆L: Alargamiento de la estructura radiante debido al efecto capacitivo de los extremos.[Ref. 9 pág. 818] ( ) ( )      +−      ++ = ∆ 8,0258,0 264,03,0 412,0 h l h l h L reff reff ε ε (2.6) ε reff es la permitividad dieléctrica relativa efectiva del substrato, , h es el espesor del mismo y l su longitud. • W: Anchura del parche microstrip.[Ref. 9 pág. 819] 1 2 *2 1 + = r ooo f W ε µε (2.7) ε r es la permitividad dieléctrica relativa del substrato, f o representa la frecuencia de resonancia, ε o es la permitividad eléctrica del vacío, µ o es la permeabilidad electromagnética del vacío. 2.3.2 CONCEPTOS DE ANTENAS RECONFIGURABLES Una antena reconfigurable es aquella que es capaz de cambiar alguna de sus características principales mediante la redistribución de corrientes o modificando los campos electromagnéticos de la apertura efectiva de la antena. Las antenas reconfigurables permiten generar cambios en la impedancia de entrada, la frecuencia de resonancia o el diagrama de radiación. Esto supone ventajas como una mayor directividad o antenas multibanda trabajando a diferentes frecuencias. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 10 Normalmente, los cambios que se producen en la antena se realiza con diferentes mecanismos, entre los que destacan principalmente: interruptores o switches, cargas reactivas, sintetizadores o cambios en la estructura [Fig.2.5]. Figura.2.5- Ejemplo Antena Reconfigurable mediante diodos y cargas Así, dependiendo del modo en que se consigue realizar la reconfiguración de la antena se obtiene variabilidad en un determinado parámetro de la misma. Precisamente, el objetivo principal de una antena reconfigurable será mantener el parámetro correspondiente en un rango determinado para los diferentes estados de funcionamiento de la misma. Este es un objetivo difícil de cumplir y puede obligar a un cambio en el diseño principal o a diseñar una etapa complementaria, como un adaptador de impedancias para mantener la frecuencia de resonancia dentro de una banda de interés. Entre las principales características de las antenas reconfigurables que permitirán clasificarlas destacan: • Parámetro de interés de la antena, como puede ser obtener un diagrama de radiación o una impedancia de entrada reconfigurable. [Anexo. III pág. 8] • Modo de reconfiguración. Dependerá de si se consigue realizar un diseño reconfigurable, bien a través de modificar un elemento directo de la antena, o bien cambiando un elemento parásito. • Continuidad de la reconfiguración. En este caso dependerá de si se tiene un rango discreto de estados de reconfiguración o si el rango es continuo, lo que significa que la antena varía sus características para un determinado rango de interés. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 11 2.3.3 APLICACIONES DE ANTENAS RECONFIGURABLES El desarrollo de las comunicaciones móviles ha propiciado el avance tecnológico de las antenas reconfigurables. La necesidad de trabajar a diferentes bandas de frecuencias para una aplicación o de ofrecer diferentes canales de uso dentro de un entorno de comunicaciones celular, ha llevado a diseñar antenas que permitan variar sus características sin necesidad de realizar una nueva estructura. Aplicaciones habituales de este tipo de antenas son dispositivos wireless multifunción o sistema de banda ultra-ancha (UWB), donde se puede orientar el diagrama de radiación de una antena para obtener mejor calidad en la señal o evitar interferencias con otras aplicaciones trabajando a frecuencia similares. Este tipo de antenas también son muy utilizadas en sistemas MIMO (Multipleinput Multiple-output) [Ref.3 pág.1], que permiten tener múltiples canales de recepción y transmisión, lo cual aumenta sustancialmente la velocidad de transmisión de datos en redes inalámbricas. Gracias a las antenas reconfigurables, se puede reducir el número de antenas necesarias que se necesitan para ofrecer a servicio a todos los usuarios de este sistema, ya que en el caso de utilizar las antenas habituales, habría que implementar una diferente para cada frecuencia y canal. Figura.2.6 – Sistema de comunicaciones MIMO, múltiples antenas TX-RX En TETRA, este tipo de antenas resultan útiles para mejorar la comunicación con una estación base mediante la selección de un canal adecuado. Igualmente, puede facilitar que desde la misma se puedan seleccionar los usuarios a los que se quiere dar cobertura gracias a la posibilidad de desplazar el diagrama de radiación de las antenas. Además, en recepción las antenas reconfigurables permiten mejorar la Ganancia Media Efectiva (MEG) [Ref.14 pág. 2]. Este parámetro es una medida estadística del comportamiento de la antena en un entorno multitrayecto. La potencia recibida en la antena se podrá obtener a través de los diagramas de radiación y de las características del canal usando este parámetro. La MEG se define como la relación entre la potencia media recibida y la potencia media incidente a la antena. Se calcula como: Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 12 ( ) ( ) ( ) ( )  ⌡ ⌠Ω      ΩΩ Γ+ +ΩΩ Γ+ Γ =dGPGPMEG φφθθ 1 1 1 (2.8) Donde G θ y G Φ son las componentes θ y Φ de la ganancia en potencia de la antena, P θ y P Φ son las componentes θ y Φ de la densidad de función angular de las ondas incidentes planas [Ref.14 pág.2], Ω es el ángulo de incidencia ( θ , Φ ), Γ es el coeficiente de polarización cruzada, definido como la relación entre la potencia media recibida en la componente vertical y la potencia media recibida en la componente horizontal, y el cual depende del entorno que le rodea. Con el uso de antenas reconfigurables se mejora la MEG de la misma, ya que se puede variar el diagrama de ganancia y compensar así la degradación que se produce en entornos wireless debido a la propagación multitrayecto. 2.4 EFECTO DEL ENTERNO EN LA DESADAPTACIÓN DE LA ANTENA A la hora de realizar el montaje, hay que tener en cuenta las limitaciones que existen debido al entorno en que funciona la antena. Así, por ejemplo, el acoplamiento de la antena con objetos metálicos o la proximidad del usuario a la antena, hace que parámetros como la impedancia de entrada varíe con respecto a la medida ideal que se había llevado a cabo. El cálculo del coeficiente de reflexión de la antena será [Ref.6 pág.2]: OA OA ZZ ZZ + − =Γ (2.9) Z A es el valor de la impedancia de entrada de la antena y Z o la impedancia característica de la alimentación, habitualmente 50 Ω . Debido a las condiciones cambiantes en entornos móviles, el coeficiente de reflexión sería para cada instante [Ref.6 pág.2]: ( ) ( ) ( ) ( ) nZnZ nZnZ OA OA + − =Γ (2.10) Z A (n) es la impedancia de entrada de la antena para cada instante n y Z o (n) es la impedancia característica de la alimentación en cada instante n. Como se observa, el cálculo teórico que se ha realizado de la impedancia de entrada de la antena varía en cada instante, lo cual puede suponer pérdida en la eficiencia de la antena, trasladándose a degradación de las comunicaciones. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 13 Igualmente, si se diseñan antenas reconfigurables que varíen debido a cargas reactivas implica que su impedancia de entrada varía para cada configuración. Esto hace que el parámetro de pérdidas de entrada para una banda de frecuencia pueda variar drásticamente de una configuración a otra. Lo que interesa es mantenerse en una adaptación adecuada para la banda de trabajo, que puede requerir modificar la impedancia del conjunto mediante una red de adaptación de la antena para compensar los cambios que se presenten entre las distintas configuraciones. Para mitigar este efecto del entorno y el cambio de impedancia de entrada entre los distintos estados, se puede llevar a cabo técnicas que compensen esta variación. Una de las más interesantes será el uso de un sintetizador automático de impedancias para conseguir adaptar la antena para los diferentes valores de impedancia de entrada que se puedan presentar. 2.4.1 TECNICAS DE MITIGACIÓN Para compensar los cambios en cada instante en la impedancia de entrada de la antena, se diseña una etapa previa de adaptación de impedancias. La red de adaptación va a estar basada en una red en ‘pi’ mediante elementos concentrados [Ref.7 cap.2]. El esquema será el siguiente: Figura.2.7- Red de adaptación en ‘pi’ Debido a la dificultad de implementar una inductancia sintonizable, será necesario el uso de inversores de impedancia para conseguir mediante un condensador variable, un conjunto que sustituya a la inductancia a sintetizar: Figura.2.8- Red de adaptación con inversores Los inversores de impedancia se diseñan para trabajar a una frecuencia de 460 Mhz. Con ello el circuito será más viable de realizar. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 14 Para trabajar con potencias elevadas, el uso de varactores como condensadores variables dificulta el diseño, debido a que son elementos utilizados para baja potencia. Por ello, los condensadores sintonizables se realizarán con redes de condensadores discretos seleccionados mediante conmutadores o switches para obtener la impedancia deseada. Con esto, el diseño de la estructura de la antena es: Figura.2.9- Esquema del montaje final de la antena Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 15 CAPÍTULO 3 DISEÑO DE ANTENAS RECONFIGURABLES EN BANDA DEL SISTEMA TETRA En este capítulo se van a presentar los diseños de antenas reconfigurables que se obtienen para la banda TETRA. Se realizarán dos antenas de tipo microstrip que presentarán un diagrama de radiación reconfigurable. 3.1. ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS Las geometrías radiantes deberán cumplir las siguientes restricciones: a) Presentar una frecuencia de resonancia en alguna de las bandas del sistema TETRA. Para ello, se ha elegido f o = 460 Mhz., con lo que se tratará de adecuar lo máximo posible a esta frecuencia en el diseño. En este diseño, la frecuencia de resonancia corresponderá con aquella que presente menores pérdidas de retorno. b) Se define el ancho de banda de la antena como el rango de frecuencias para el cual las pérdidas de retorno son menores de -10 dB. Esto equivale a un VSWR ≤ 2. [Anexo. III pág. 10] c) El substrato utilizado será FR4 epoxy con una anchura de h= 1.6 mm. Este substrato presenta un permitividad eléctrica ε r = 4.4, con un tangente de pérdidas de δ=0,015. d) La variabilidad del diagrama de radiación se deberá observar en el corte con alguno de los planos siguientes: plano X-Y, plano X-Z y plano Y-Z.[Anexo III. pág.13] e) En caso de que fuera necesario, se podría implementar un sintetizador de impedancias para mejorar las pérdidas de retorno y aumentar el ancho de banda de la antena.[Anexo III. págs. 9-14] Teniendo en cuenta todas estas premisas, se pasará a realizar el diseño de la antena utilizado para ello el simulador HFSS (High Frecuency Structure Simulator) [Anexo I]. 3.2 DISEÑO DE ANTENA RECONFIGURABLE: ANTENA NO COMPACTA A continuación, se desarrolla el diseño de la antena reconfigurable. En este caso la solución que se presenta no tiene unas dimensiones adecuadas al criterio de antena compacta, ya que su tamaño es aproximadamente λ o /4. Primeramente, se define la filosofía de diseño para posteriormente mostrar las simulaciones del diseño. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 22 Figura.3.9- Configuración 3 Figura.3.10- Configuración 4 Figura.3.11- Configuración 5 DIAGRAMAS CORTE PLANO Y-Z Figura.3.12- Configuración 1 Figura.3.13- Configuración 2 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 23 Figura.3.14- Configuración 3 Figura.3.15- Configuración 4 Figura.3.16 - Configuración 5 DIAGRAMAS CORTE PLANO X-Y Figura.3.17- Configuración 1 Figura.3.18- Configuración 2 Figura.3.19- Configuración 3 Figura.3.20- Configuración 4 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 24 Figura.3.21- Configuración 5 El cambio en el diagrama de radiación de la antena es mayor en el corte con el plano X-Y [Anexo III pág.12]. En la configuración 1 [Fig.3.17], el máximo está orientado en Φ=-168º y en la configuración 2 [Fig.3.18] está en Φ=-118º. Comparando la configuración 3 [Fig.3.19] con la 4 [Fig.3.20] se observa como la orientación del máximo del diagrama de radiación ha cambiado, rotando 140º en Φ aproximadamente sobre su posición anterior. Esta rotación es mayor en la configuración 5 [Fig.3.21], alcanzado los 180º. No solo se produce un cambio en la orientación, sino que también cambia la amplitud del máximo de radiación. Así, se tiene una variación que va desde los 0.86 dB hasta los 2.76 dB. A continuación, se introduce una tabla donde se puede observar los cambios en las características en el diagrama de radiación con las diferentes configuraciones de la antena. Tabla.3.4- Directividad plano X-Y Φ Directividad (dB) CONFIGURACIÓN 1 -168 2.46 CONFIGURACIÓN 2 -118 2.76 CONFIGURACIÓN 3 8 0.86 CONFIGURACIÓN 4 -150 1.46 CONFIGURACIÓN 5 -180 1.28 En el corte con el eje Y-Z [Anexo III pág.12] se observa un cambio menor en el diagrama. En la configuración 4 [Fig.3.15] y 5 [Fig.3.16], el máximo de directividad se desplaza 10º con respecto a la configuración 3 [Fig.3.14], de 2º a 12º, siendo las configuraciones 1 [Fig.3.12] y 2 [Fig.3.13] también de reducido cambio en la dirección del máximo. Igualmente se producen cambios en el valor de la directividad de esos máximos. En el eje X-Z [Anexo III pág.12], lo que se observa es que se mantiene con escasas diferencias la dirección de máxima radiación con cambios en su valor de amplitud. Esta tabla ilustra los resultados obtenidos: Tabla.3.5- Directividad plano Y-Z θ Directividad (dB) CONFIGURACIÓN 1 4 5.44 CONFIGURACIÓN 2 -18 5.79 CONFIGURACIÓN 3 2 5.73 CONFIGURACIÓN 4 12 5.13 CONFIGURACIÓN 5 0 5.63 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 25 Tabla.3.6- Directividad en plano X-Z θ Directividad (dB) CONFIGURACIÓN 1 -14 5.78 CONFIGURACIÓN 2 -10 5.47 CONFIGURACIÓN 3 8 5.78 CONFIGURACIÓN 4 -8 5.14 CONFIGURACIÓN 5 -10 5.75 Así, dependiendo de las diferentes cargas que se coloquen en los gaps de la antena se reconfigurará el diagrama de radiación, requisito establecido que debía cumplir el diseño. 3.2.2.5 EVALUACIÓN DE RESULTADOS Y NECESIDADES Analizando los resultados obtenidos en las simulaciones, se puede observar que con el diseño se consigue variar el diagrama de radiación de la antena, finalidad principal del proyecto. Presenta un desplazamiento de la frecuencia de resonancia con las diferentes configuraciones, en torno a un 2% de la frecuencia objetivo que se tenía de resonancia, 460 Mhz., en las configuraciones 3,4 y 5, siendo mayor en los casos de las configuraciones 1 y 2. Aunque esto resulte algo difícil de evitar si se quiere obtener variabilidad en la radiación de la antena, puede ser un objetivo a mejorar en el siguiente diseño. También sería importante conseguir compactar la antena reduciendo sus dimensiones. El uso en dispositivos móviles obliga hoy en día a buscar la mayor reducción posible en las dimensiones de las antenas. Las dimensiones de la antena que se ha propuesto en este caso son de 23x23 cm., si se mide considerando el substrato. Esto podría implementarse en terminales móviles de tamaño mediano, como ordenadores portátiles, pero puede que interese una reducción de tamaño mayor. Igualmente, la solución propuesta no alcanza los 10 Mhz. de toda banda de frecuencia, si bien si que se consigue un ancho de banda mayor que los 25 kHz. necesarios para cada canal de TETRA. Para cubrir toda la banda de frecuencias de 460- 470 Mhz. se implementará el sintetizador de impedancias, lo cual permitirá desplazar la frecuencia de resonancia mejorando las pérdidas de retorno. También con el sintetizador se mejora el ancho de banda de la antena. En el siguiente diseño se mejorará la antena en términos de dimensiones, permitiendo una solución compacta y se intentarán resolver todos los inconvenientes obtenidos de la solución anterior. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 26 3.3 DISEÑO DE ANTENA RECONFIGURABLE: ANTENA COMPACTA A continuación, se busca conseguir el mismo objetivo de una antena reconfigurable aunque logrando compactar sus dimensiones. Igualmente, deberá tener como frecuencia de resonancia los 460 Mhz. y se realizará en un substrato de FR4- epoxy de ε r = 4.4 y un espesor de h=1.6 mm. Los criterios para establecer cuál es la frecuencia de resonancia y el ancho de banda de la antena permanecerán igual a los descritos en el capítulo, así como lo que se considera como diagrama reconfigurable de la antena. 3.3.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO Para llevar a cabo el diseño compacto se persigue que mediante cargas reactivas adecuadas resuene una estructura que por dimensiones lo haría a una frecuencia mayor. Esto se debe al hecho de que al introducir los condensadores y bobinas, cambiará la impedancia de entrada de la antena. La estructura que se presenta como solución consta de varios elementos radiantes como si se tratara de un array, aunque su comportamiento no se corresponde a este tipo de estructura típica, sino que sigue la filosofía del diseño que se ha presentado anteriormente. 3.3.2 ANTENA RECONFIGURABLE COMPACTA: CONJUNTO ESPIRAS HEXAGONALES A continuación, se presenta la solución que se ha obtenido como antena compacta reconfigurable, cuyo tamaño es menor a λ 0 /4 calculado en (3.1). 3.3.2.1 CONFIGURACIÓN DE LA SIMULACIÓN De cara a las simulaciones de la antena en HFSS, se define las diferentes opciones del simulador utilizadas y el tipo de alimentación de la antena: a) La alimentación a la antena será mediante stub. Para ello, como fuente de excitación a la antena en la simulación se ha elegido Lumped Port. b) El substrato utilizado es FR4 epoxy con ε r = 4.4 y un espesor de h=1.6 mm. Este criterio se mantiene con respecto a la simulación anterior. c) La frecuencia de solución de la simulación será 465 Mhz., y el número de pasos adaptativos serán 10. El error en la simulación será de 0,01.[Anexo II pág.6] d) Los elementos conductores se simularán con la opción del programa de Boundary Conditions>Perfect_E. Las bobinas y condensadores, se simularán con los valores correspondientes a la condición de Lumped LRC. Esta configuración se mantiene del diseño anterior. e) El espacio físico que rodea a la antena, al igual que antes, será aire. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 27 3.3.2.2 ESTRUCTURA DE LA GEOMETRÍA RADIANTE Priorizando la compactación, las dimensiones del substrato y el plano de masa de la antena son 134x134 mm. Esto supone una disminución de la antena de un 58% con respecto a la antena no compacta. Las dimensiones de los diferentes elementos de la estructura son las siguientes: Figura.3.22 – Estructura de antena reconfigurable compacta En cada espira hexagonal se coloca una bobina que permite mejorar la adaptación de impedancia de la antena y hacerla adecuada para la frecuencia de resonancia . La anchura de la pista de cobre es de 2 mm. 3.3.2.3 RESULTADO DE LAS SIMULACIONES: SWITCHES Primeramente, se lleva a cabo el estudio implementando switches en vez de cargas en los gaps. El switch utilizado es igualmente el HMC197, con lo que el proceso de obtención del circuito equivalente y empleo del conmutador es el mismo que el descrito en el apartado 3.2.2.3. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 28 Las pérdidas de retorno de la antena utilizando conmutadores son las siguientes: 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 00 Frecuencia (Ghz) Pérdidas de retorno (dB) Pérdidas de retorno en cada configuración Configuración 1 Configuración 2 Configuración 3 Configuración 4 Figura.3.23- Pérdidas de retorno utilizando switches en la antena compacta Al igual que ocurría con el anterior diseño, la antena no presenta buena adaptación si se emplean switches. Surge la necesidad de implementar cargas reactivas que permitirán mejorar este apartado, adecuando el valor de las mismas. A pesar del inconveniente de las pérdidas de retorno, la estructura tiene igualmente un comportamiento de antena reconfigurable [Fig.3.24]. Se representa el corte del plano X-Y del diagrama de radiación para dos configuraciones diferentes: Figura.3.24- Comparativa entre dos configuraciones distintas de la antena compacta Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 29 3.3.2.4 RESULTADO DE LAS SIMULACIONES: CONDENSADORES Y BOBINAS En esta solución que se acaba de presentar, las diferentes configuraciones posibles que presentarán una solución válida diferente al resto serán cuatro: Tabla.3.7-Diferentes configuraciones de las cargas en la antena compacta CARGA 1 CARGA 2 CARGA 3 CARGA 4 CONFIGURACION 1 100 nH 5 pF 5 pF 5 pF CONFIGURACION 2 5 pF 100 nH 5 pF 5 pF CONFIGURACION 3 5 pF 5 pF 100 nH 5 pF CONFIGURACION 4 5 pF 5 pF 5 pF 100 nH Además, en cada uno de los hexágonos que conforman la antena se coloca una bobina de 100 nH para mejorar la adaptación de impedancias a la frecuencia objetivo. Otras configuraciones posibles, o bien presentarán los mismos resultados posibles debido a la simetría o no servirán para la banda de funcionamiento. Esto es lo que ocurriría al desconectar dos de las espiras, ya que la longitud efectiva de la antena se reduciría y ya no resonaría a la frecuencia de interés. A continuación, se representan las pérdidas de retorno |S 11 | dB : 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 Frecuencias (Mhz) P érdidas de retorno (dB ) Pérdidas de retorno para cada configuración Configuración 1 Configuración 2 Configuración 3 Configuración 4 Figura.3.25 - Pérdidas de retorno en la antena reconfigurable compacta L as pérdidas de retorno de la antena no son lo suficientes como para considerar su funcionamiento como sistema real [Fig.3.25].Por ello, en esta solución será necesario plantearse la mejora de la adaptación de la antena. Este proceso se podrá hacer, bien mediante stubs o bien mediante un sintetizador de impedancias. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 30 Se observa que en el diseño no se produce un desplazamiento frecuencial de la frecuencia de resonancia al cambiar de configuración. Por lo tanto, será muy útil si se quiere trabajar en una banda de frecuencia determinada, al no desplazarse de la misma al reconfigurar la antena. A continuación, se representa el diagrama de radiación de la antena. Se consigue modificar el mismo al cambiar entre las diferentes configuraciones, cumpliendo con el propósito del proyecto. Lo primero que se destacará en este caso, es que se produce modificaciones en el diagrama de radiación en los cortes con los tres ejes, a diferencia del diseño anterior, manteniéndose la forma del mismo y cambiando la orientación del máximo: DIAGRAMAS CORTE PLANO X-Z Figura.3.26- Configuración 1 Figura.3.27- Configuración 2 Figura.3.28- Configuración 3 Figura.3.29- Configuración 4 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 31 Tabla.3.8- Directividad plano X-Z θ Directividad (dB) CONFIGURACIÓN 1 - 10 3.14 CONFIGURACIÓN 2 14 2.95 CONFIGURACIÓN 3 - 10 3.24 CONFIGURACIÓN 4 14 3.20 En el corte con el plano X-Z [Anexo III pág.12], en la configuración 1 [Fig.3.26], el máximo se presenta en θ=-10º con un valor en la directividad de 3.14 dB. Este coincide en dirección con el máximo obtenido en la configuración 3 [Fig.3.28], que presenta un máximo de 3.24 dB, muy similar al obtenido anteriormente. Sin embargo, la dirección del máximo cambia en las configuraciones 2 [Fig.3.27] y 4 [Fig.3.29]. En la configuración 2, el máximo se presenta en θ=14º con una amplitud de 2.95 dB. En la configuración 4, el máximo coincide en la dirección de la configuración 2, presentando un máximo de 3.2 dB. Así, se tiene un desplazamiento en la dirección del máximo de radiación de la antena de ∆θ=24º entre las diferentes configuraciones para el corte con el plano X-Z. Para este plano, el comportamiento coincide para la configuración 1 y 3 y para la configuración 2 y 4. DIAGRAMAS CORTE PLANO Y-Z Figura.3.30- Configuración 1 Figura.3.31- Configuración 2 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 38 Una vez que se han utilizado cargas reales, se diseñaría una red única que permitiera sintetizar automáticamente la carga necearía para adaptar cada configuración. Como se comento en el capítulo 2.4.1, la bobina variable L 2 se implementará con condensadores discretos e inversores J. El diseño del sintetizador automático que se obtiene para esta antena es: Figura 4.5.- Sintetizador automático de impedancias CAP_Murata ID=C12 C=16 pF Part=ERB1885C2E160JDX5 CAP_Murata ID=C6 C=8.2 pF Part=GQM1885C1H8R2DB01 CAP_Murata ID=C5 C=3.9 pF Part=GQM1885C2A3R9CB01 CAP_Murata ID=C4 C=2 pF Part=GQM1885C2A2R0CB01 CAP_Murata ID=C3 C=1 pF Part=GQM1875C2E1R0BB12 CAP_Murata ID=C1 C=1 pF Part=GQM1875C2E1R0BB12 IND_Murata ID=L1 L=4.7 nH Part=LQP03TN4N7H04 CAP_Murata ID=C11 C=8.2 pF Part=GQM1885C1H8R2DB01 CAP_Murata ID=C10 C=3.9 pF Part=GQM1885C2A3R9CB01 CAP_Murata ID=C9 C=2 pF Part=GQM1885C2A2R0CB01 CAP_Murata ID=C2 C=1 pF Part=GQM1875C2E1R0BB12 0 1 1 23 SPDT ID=S7 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S6 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S5 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S4 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S3 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S2 STATE=1 BIT=0 CAP_Murata ID=C8 C=33 pF Part=ERB1885C2E330JDX5 CAP_Murata ID=C7 C=16 pF Part=ERB1885C2E160JDX5 CAP_Murata ID=C18 C=16 pF Part=ERB1885C2E160JDX5 CAP_Murata ID=C17 C=8.2 pF Part=GQM1885C1H8R2DB01 CAP_Murata ID=C16 C=3.9 pF Part=GQM1885C2A3R9CB01 CAP_Murata ID=C15 C=2 pF Part=GQM1885C2A2R0CB01 CAP_Murata ID=C14 C=1 pF Part=GQM1875C2E1R0BB12 0 1 1 23 SPDT ID=S12 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S11 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S10 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S9 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S8 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S1 STATE=0 BIT=0 CAP_Murata ID=C13 C=33 pF Part=ERB1885C2E330JDX5 1 SUBCKT ID=S18 NET="espira_5_ HFSSDesign1" CAP_Murata ID=C22 C=6.8 pF Part=GQM1875C2E6R8CB12 CAP_Murata ID=C21 C=6.8 pF Part=GQM1875C2E6R8CB12 CAP_Murata ID=C20 C=6.8 pF Part=GQM1875C2E6R8CB12 CAP_Murata ID=C19 C=6.8 pF Part=GQM1875C2E6R8CB12 IND_Murata ID=L3 L=15 nH Part=LQG15HS15NJ02 IND_Murata ID=L2 L=15 nH Part=LQG15HS15NJ02 0 1 1 23 SPDT ID=S17 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S16 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S15 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S14 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S13 STATE=0 BIT=0 PORT P=1 Z=50 Ohm Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 39 El modo de funcionamiento consiste básicamente en seleccionar mediante el conmutador adecuado el condensador que se desea para sintetizar la carga adecuada, permitiendo el conjunto entero adaptar la antena. Los condensadores se han elegido en potencias de 2 (1 pF, 2 pF, 4 pF,…) hasta 32 pF, lo que permitirá sintetizar el mayor número posibles de valores de cargas, teniendo en cuenta que un número de estados excesivo repercutiría en las pérdidas que se tienen en la red de adaptación. 4.2 PROCESO DE DISEÑO DEL SINTETIZADOR: ARRAY DE HEXÁGONOS En este caso, las diferentes configuraciones de la antena presentaban unas pérdidas de retorno muy similares, aunque no lo suficientes como para montar dicha antena. Es por ello, que en este caso con el sintetizador se busca mejorar la adaptación de la antena. Igualmente, se podrá desplazar la frecuencia de resonancia de la antena cubriendo toda la banda de trabajo de TETRA. 4.2.1 ADAPTADORES DE IMPEDANCIA Al igual que en el caso de anterior, el adaptador de impedancias se basa en una red en 'pi' que adaptará la antena. Ahora se tendrá que para conseguir adaptar todas las diferentes configuraciones solo se necesitará que varíe una de las cargas de la red. El esquema básico será: Figura.4.6- Red de adaptación ideal de la antena compacta Haciendo variar el valor de la bobina L 2 , se consigue adaptar la antena y que su frecuencia de resonancia varíe a lo largo de la banda de trabajo. Entre una configuración y otra sólo varía la bobina, como se puede ver en Tabla.4.3: Tabla.4.3- Valores ideales de la bobina variable L2 CONFIGURACIÓN 1 7.6 nH CONFIGURACIÓN 2 20.7 nH CONFIGURACIÓN 3 29.7 nH CONFIGURACIÓN 4 14 nH PORT P=1 Z=50 Ohm 1 SUBCKT ID=S1 NET="arrayhexagonos_2_ HFSSDesign1" IND ID=L3 L=31.49 nH IND ID=L2 L=20.75 nH CAP ID=C4 C=17.7 pF CAP ID=C3 C=8 pF CAP ID=C2 C=1.34 pF Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 40 Si se representa la adaptación de la antena en la banda de trabajo de interés, se verá cómo se consigue mejorar las pérdidas de retorno haciendo que sea posible su realización física [Fig.4.7]: Figura.4.7- Pérdidas de adaptación con la red ideal De cara a un montaje posterior, habrá que tener en cuenta los parásitos que presentan las cargas en su montaje real. 4.2.2 DISEÑO CON CARGAS REALES: SINTETIZADOR DE IMPEDANCIAS Para poder llevar a cabo el montaje, se simula la red utilizando cargas reales que tengan en cuenta los parásitos de los condensadores y bobinas físicos. Al igual que con el adaptador diseñado para la espira rectangular, los valores reales de las cargas diferirán de los valores ideales. Sin embargo, al tener como elemento variable sólo una carga, el número de elementos de la red disminuye, con lo que disminuirán los parásitos y la pérdida de ganancia que suponga el conjunto del sintetizador. El adaptador con cargas reales presenta la misma estructura que en el caso ideal variando el valor de la cargas. El esquema obtenido es el siguiente: Figura.4.8 – Red de adaptación con cargas reales de la antena compacta IND_Murata ID=L2 L=15 nH Part=LQP15TN15NH02 IND_Murata ID=L1 L=33 nH Part=LQP03TN33NJ04 PORT P=1 Z=50 Ohm 1 SUBCKT ID=S1 NET="arrayhexagonos_1_ HFSSDesign1" CAP_Murata ID=C3 C=0.4 pF Part=GQM1875C2ER40BB12 CAP_Murata ID=C1 C=13 pF Part=GQM1875C2E130JB12 CAP_Murata ID=C2 C=8.2 pF Part=GQM1885C1H8R2DB01 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 41 Los valores que permanecerán fijos para todas las configuraciones presentan los siguientes valores: C1= 13 pF L1=33 nH C2= 8.2 pF C3= 0.4 pF Con respecto a la bobina L2 que variará entre cada configuración, los valores obtenidos son: Tabla.4.4- Valores de la bobina variable real L2 CONFIGURACIÓN 1 15 nH CONFIGURACIÓN 2 15 nH CONFIGURACIÓN 3 18 nH CONFIGURACIÓN 4 12 nH En [Fig.4.9], se representa la adaptación que se consigue de la antena al incluir el sintetizador: Figura.4.9- Pérdidas de adaptación con cargas reales Con estos valores, se podría plantear el montaje físico del conjunto sintetizador más antena reconfigurable. Al igual que en el caso anterior, la bobina variable se realizará mediante un conjunto de condensadores discretos seleccionados mediante switches. Con ello se conseguirá implementar un sintetizador automático de impedancias con la estructura siguiente: Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 42 Figura. 4.10 – Sintetizador automático de impedancias para la antena compacta Este sintetizador tiene un número de elementos variables más reducido que en el caso anterior, presentado ventajas a la hora de su montaje y su funcionamiento. El valor de los condensadores aumenta en potencias de 2 hasta los 32 pF. para permitir un rango discreto de selección de cargas. 4.3 EVALUACIÓN DE LA ETAPA DE SÍNTESIS DE IMPEDANCIAS A partir de los resultados de las simulaciones, se puede concluir que el principal interés de la implementación del sintetizador de impedancias es mejorar la adaptación de la antena haciendo viable su uso. Es evidente la mejora que representa en el caso de la antena compacta propuesta, ya que en las simulaciones de la antena por separado solo se habían conseguido unas pérdidas de retorno de -4 dB. Con el sintetizador, estas pérdidas de retorno llegan hasta los -20 dB y además se consigue desplazar la frecuencia de resonancia para toda la banda de trabajo. Igualmente, en la antena no compacta se consigue que todas las posibles configuraciones se encuentren dentro de la banda de interés. Con ello se corrige la variabilidad en la frecuencia de resonancia que se tiene al reconfigurar la misma, con lo que se mitiga el efecto del entorno presente en un montaje físico. Como contrapartida, está el hecho de que la red presentará unas pérdidas que supondrán una disminución en la ganancia final del conjunto, suponiendo ello un efecto negativo en la calidad de las comunicaciones: ( ) ( ) ( ) dBPdBGdBG adaptador Lantenaconjunto −= (4.11) G conjunto (dB) es la ganancia que se obtiene con la antena y el sintetizador combinados, G antena (dB) es la ganancia de la antena únicamente [Anexo III] y P Ladaptador (dB) son las pérdidas que introducen el sintetizador automático de impedancias. CAP_Murata ID=C6 C=8.2 pF Part=GQM1885C1H8R2DB01 CAP_Murata ID=C1 C=13 pF Part=GQM1875C2E130JB12 CAP_Murata ID=C5 C=3.9 pF Part=GQM1885C2A3R9CB01 CAP_Murata ID=C4 C=2 pF Part=GQM1885C2A2R0CB01 CAP_Murata ID=C3 C=1 pF Part=GQM1875C2E1R0BB12 IND_Murata ID=L1 L=27 nH Part=LQP03TN27NH04 IND_Murata ID=L3 L=15 nH Part=LQP03TN15NJ04 IND_Murata ID=L2 L=15 nH Part=LQP03TN15NJ04 CAP_Murata ID=C2 C=7.5 pF Part=GQM1885C1H7R5DB01 CAP_Murata ID=C9 C=15 pF Part=GQM1875C2E150JB12 PORT P=1 Z=50 Ohm 1 SUBCKT ID=S1 NET="arrayhexagonos_1_ HFSSDesign1" 0 1 1 23 SPDT ID=S7 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S6 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S5 STATE=1 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S4 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S3 STATE=0 BIT=0 0 1 1 23 SPDT ID=S2 STATE=1 BIT=0 CAP_Murata ID=C8 C=33 pF Part=ERB1885C2E330JDX5 CAP_Murata ID=C7 C=16 pF Part=ERB1885C2E160JDX5 Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 43 CAPÍTULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTALES En este apartado, se presenta los distintos montajes físicos que se llevan a cabo para poder validar los resultados que se habían obtenido mediante simulación. Se realiza igualmente, una aclaración sobre la topología final de los elementos conmutables de la antena, en este caso la variación de las cargas en los gaps. 5.1 TOPOLOGÍA FINAL En los esquemáticos de las simulaciones no se ha contemplando el método necesario para conmutar las cargas de los gaps. Esto sería necesario de cara a realizar el montaje de la antena, ya que no sería viable modificar manualmente las cargas para poder cambiar el diagrama de radiación. Teniendo en cuenta la necesidad de automatizar el proceso de selección de cargas, los circuitos de conmutación con valores reales de los switches son los siguientes: Figura.5.1- Circuito conmutable de cargas con switches reales, bobina seleccionada LOAD ID=Z3 Z=50 Ohm CAP ID=C1 C=50 pF PORT P=2 Z=50 Ohm PORT P=1 Z=50 Ohm 1 2 3 SUBCKT ID=S2 NET="HMC197 rf2 selected deembedded" 1 2 3 SUBCKT ID=S1 NET="HMC197 rf1 selected deembedded" 1 2 3 SUBCKT ID=S4 NET="HMC197 rf2 selected deembedded" 1 2 3 SUBCKT ID=S3 NET="HMC197 rf1 selected deembedded" LOAD ID=Z4 Z=50 Ohm 0 1 1 2 3 SPDT ID=S5 STATE=1 BIT=0 0 1 12 3 SPDT ID=S17 STATE=0 BIT=0 LOAD ID=Z2 Z=50 Ohm IND ID=L1 L=5 nH LOAD ID=Z1 Z=50 Ohm Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 44 Figura.5.2- Circuito conmutable de cargas con switches reales, condensador seleccionado El circuito diseñado se montaría en lugar de las bobinas y condensadores, añadiendo al diseño final las señales necesarias de conmutación de los switches, controladas mediante un procesador de señal (DSP, FPGA). Este circuito conmutable implicará una mayor complejidad en el conjunto de la antena, igual que el valor de las cargas implementadas difiere ligeramente del establecido en las simulaciones. En [Fig.5.3] y [Fig.5.4], se pueden observar los cambios que el circuito conmutable introduce sobre los valores ideales de las cargas: Figura.5.3- Comparativa bobina ideal y bobina real con switches PORT P=1 Z=50 Ohm PORT P=2 Z=50 Ohm 1 2 3 SUBCKT ID=S4 NET="HMC197 rf1 selected deembedded" 1 2 3 SUBCKT ID=S3 NET="HMC197 rf1 selected deembedded" 1 2 3 SUBCKT ID=S2 NET="HMC197 rf2 selected deembedded" 1 2 3 SUBCKT ID=S1 NET="HMC197 rf2 selected deembedded" LOAD ID=Z1 Z=50 Ohm 0 1 12 3 SPDT ID=S17 STATE=1 BIT=0 0 1 1 2 3 SPDT ID=S5 STATE=0 BIT=0 LOAD ID=Z4 Z=50 Ohm LOAD ID=Z3 Z=50 Ohm LOAD ID=Z2 Z=50 Ohm IND ID=L1 L=5 nH CAP ID=C1 C=50 pF Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 45 Figura.5.4- Comparativa entre condensador ideal y condensador con switches El efecto de los conmutadores se traduce en el caso de la bobina [Fig.5.3] en incrementar las pérdidas, debido a la resistencia serie, y en una disminución de la admitancia del bobinado, lo que supondría un valor diferente al calculado. Para el caso del condensador [Fig.5.4], las pérdidas serían menores y disminuiría igualmente la admitancia debida a la parte capacitiva. Por lo tanto, los switches introducen pérdidas y modifican sustancialmente el valor de las admitancias que tenga el circuito. Para compensar el cambio con respecto al caso ideal que suponen los switches, se recalcula el valor de bobinado adecuado para las simulaciones. En la tabla contigua [Tabla.5.1], se muestra el valor del circuito equivalente en el caso real y la carga modificada que se utiliza para conseguir la antena reconfigurable: Tabla. 5.1- Valores de las cargas en las antenas reconfigurables IDEAL REAL/ RESISTENCIA SERIE MODIFICADA BOBINA A IMPLEMENTAR 5 nH 15 nH / 3.64 Ω 8.6 nH CONDENSADOR A IMPLEMENTAR 50 pF 22,3 pF / 0.29 Ω 10 nF La resistencia de pérdidas no se podrá compensar en ningún caso. Si se usa el valor de carga modificada para cada caso, se podría reproducir los resultados obtenidos en las simulaciones al obtener el mismo valor de impedancia en su conjunto. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 46 5.2 VALIDACIÓN EXPERIMENTAL De cara al montaje físico, hay que destacar que realizar las estructuras necesarias de las simulaciones con condensadores y bobinas, sobre todo implementado el circuito de conmutación, resultaría demasiado complejo y costoso; tanto en tiempo como en material. Debido a los elementos conmutables de la antena, la medición final resultaría muy laboriosa y no muy fiable, salvo en un entorno adecuado y con un proceso de montaje exhaustivo. Por estas razones, para dar validez a las simulaciones que se han presentado, se va llevar a cabo el montaje físico de una estructura que resulte más fácil de implementar y medir. Teniendo en cuenta esto, se ha decidido montar el diseño de la antena compacta, debido a que su proceso de fabricación resulta más sencillo. La antena compacta, presenta un sistema de alimentación más simple, no perjudicando a la dificultad final del proceso el hecho de tener que montar hexágonos físicamente. El montaje final realizado será el de la antena compacta: Figura.5.5- Montaje físico de la antena compacta sin stubs. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 47 Figura.5.6- Montaje físico de la antena compacta con stubs. Con el montaje físico hecho, hará falta montar un sistema de medida adecuado para caracterizar la antena. Para ello, se usa una antena de tipo bow-tie como receptora adecuada para funcionar a la frecuencia de 460 Mhz y se utiliza un analizador de redes vectorial para poder obtener los resultados. El montaje físico final para medir la antena será [Fig.5.7]: Dipolo Impreso Banda UHF Antena Bajo Test ANALIZADOR DE REDES VECTORIAL S 21 Estimación Función de Transferencia Figura.5.7- Montaje físico del sistema de medida de la antena Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 54 Otro aspecto importante para continuar con el proyecto sería el desarrollo de algoritmos de control de estados y de selección los diagramas de radiación para la arquitectura de la Fig.2.6. Precisaría del uso de un procesador digital de señal como controlador, siendo los más habituales un DSP o una FPGA. Habría que establecer los circuitos necesarios de control de la antena, así como aquellos algoritmos que informaran de la configuración aplicada a la antena reconfigurable y al sintetizador de impedancias. Todos estos aspectos deberían ser implementados físicamente, con lo que sería necesario desarrollar los circuitos de medida que serían necesarios. Como desarrollo futuro, queda pendiente estimar la Ganancia Media Efectiva (MEG) para cada unos de los diagramas reconfigurables de la antena en entornos móviles. Simplemente se ha dado una idea sobre en qué consistiría esta medida, pero sería necesario observar la mejora que las antenas reconfigurables supondrían en este parámetro. Este aspecto resulta muy interesante teniendo en cuenta la aplicación en entornos móviles donde surge propagación multitrayecto, como entornos wireless. Todos estos aspectos podrían ser tenidos en cuenta como posible continuación al trabajo realizado en este proyecto. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 55 REFERENCIAS [1] – Datasheet HMC197 GaAs MMIC SOT26 SPDT SWITCH, Hittite Microwave Corporation. [2] – George D. Vendellin, Anthony M. Pavio, Ulrich L. Rohde. Microwave Circuit Design Using Linear and Non Linear Techniques Ed. Wiley-Interscience. George D. Vendellin, Anthony M. Pavio, Ulrich L. Rohde. [3] – Alfred Grau, Jordi Romeu, Ming-Jer Lee, Sebastián Blanch, Lluís Jofre y Franco de Flaviis. A Dual-Linearly-Polarized MEMS-Reconfigurable Antenna for Narrowband MIMO Communication Systems, IEEE Transactions on Antennas and Propagation. [4] – P. Stavroulakis. Terrestral Trunked Radio- TETRA Ed. Springer. [5] – José María Hernando Rábanos, Manuel Montero del Pino, Fernando Pérez Fontán. Ingeniería de Sistemas Trunking, Editorial Sintesis. [6] - Pedro Luis Carro, Jesús de Mingo, Paloma García-Ducar. Characterization of Impedance Variations in antennas for TETRA terminals, IEEE Vehicular Technology Conference, VTC 2010. [7] – Lucía Sáenz Fernández. PFC Estudio. Diseño y Evaluación de una Red Sintetizadora de Impedancias para aplicaciones de mejora energética en Sistemas de Comunicaciones Móviles, Universidad de Zaragoza. [8] – José Ramón Gállego, QoS en redes de nueva generación, Apuntes Teoría. Universidad de Zaragoza [9] – Constantine A. Balanis, Anthenna Theory Analysis and Design. Third Edition, Editorial Wiley-Interscience. [10] - Shashank D. Kulkarni y Sergey N. Makarov, A Compact Dual Band Foam-Based UHF PIFA. ECE Dept., Worcester Polythecnic Institute. [11] – ‘Product Features’ en http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/ [12] – ‘Microwave Office Overwiew’ en http://web.awrcorp.com/ [13] – Jesús de Mingo Sanz, Antenas y Propagación, Consideraciones Generales sobre Antenas. Notas de Clase. Universidad de Zaragoza. [14] – Pedro Luis Carro, Jesus de Mingo, Paloma Garcia Ducar, Analysis of the Antenna Stochastic Effective Gain in Mobile Environment, IEEE Vehicular Technology Conference, VTC Fall 2009. Diseño de Antenas Inteligentes basado en la aplicación de un sintetizador de impedancias 56 [15] – ‘Tecnologías>TETRA’ en http://www.willtek.com [16] – ‘Sistema TETRAPOL’ en http://www.ea1uro.com/digital2.html [17] – Eduardo Frías Valero, Aportaciones al estudio de las máquinas eléctricas de flujo axial mediante la aplicación del método de los elementos finitos. Departamento de Ingeniería Eléctrica. UPC. [18] – Antonio Miguel Artiaga, Alfonso Ortega Giménez, Comunicaciones Digitales Avanzadas, Apuntes Teoría. Universidad de Zaragoza.