Experimentos con ondas de Terahercios

EXPERIMENTOS CON ONDAS DE TERAHERCIOS Tesis de g ado P esen ado a la acul ad de la Escuela Técnica de Ingenie ía de Telecomunicaciones de Ba celona Uni e sidad Poli écnica de Ca aluña Po Miquel Roigé Llop En cumplimien o pa cial de los equisi os pa a la salida de INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA TELECOMUNICACIÓN Aseso : Ma ía Concepción San os Blanco Ba celona, Ene o 2020 1 Abs ac The bene i s ob ained om using echnologies such as mic owa es and Op ical bands a e well known: wi eless communica ions and ibe op ics, welding, lase cu ing and o he ypes o applica ions. These echnologies ha a e used a e in insically e y di e en in hei de ices, bu hey ha e e y simila p ope ies in hei elec omagne ic wa es due o he equency, he e o e, o he wa eleng h. Be ween he wo bands is a li le-known pa o he spec um, he Te ahe z (THz) band and whe e i is s ill being s udied. This wo k ha I ha e done wi h he i le “Expe imen s wi h Te ahe z wa es” has been based on simula ing a ype o speci ic an ennas a equencies o Te ahe z wi h a simula o in which I had p e iously wo ked and, he e o e, had some knowledge o his simula o . These esul s ha e been compa ed wi h o he s p e iously conduc ed by o he s p e iously conduc ed by o he in es iga o s and hus e i y ha he esul s we e consis en . In addi ion, i explains he p ocedu e ollowed and he use his simula o . 2 Resum Es ben conegu els bene icis que s’ob enen d’u ili za ecnologies com mic oones i bandes òp iques: comunicacions sense ils i ib a òp ica, soldadu a, all amb làse i al es ipus d’aplicacions. Aques es ecnologies que s’u ili zen són in ínsecamen mol di e en s en els seus disposi ius, pe ò amb p opie a s mol simila s en les se es ones elec omagnè iques degu a la eqüència, pe an , a la longi ud d’ona. En e les dues bandes es oben una pa de l’espec e poc conegu , la banda de Te ahe z(THz) i on enca a s’es à es udian . Aques eball que he eali za amb í ol “Expe imen os con ondas de Te ahe cios” s’ha basa en e unes simulacions d’un ipus d’an enes especí iques a eqüències de Te ahe z amb un simulado en el qual ha ia eballa an e io men i, pe an , enia un ce coneixemen d’aques simulado . S’ha compa a els esul a s amb uns al es que ha ien eali za uns in es igado s an e io men i així, comp o a que els esul a s e en cohe en s. A més a més, s’explica el p ocedimen emp a i com s’u ili za aques simulado . 3 Resumen Es bien conocido los bene icios que se ob ienen de u iliza ecnologías como mic oondas y bandas óp icas: comunicaciones inalámb icas y ib a óp ica, soldadu a, co e con láse y o os ipos de aplicaciones. Es as ecnologías que se u ilizan son in ínsicamen e muy dis in as en sus disposi i os, pe o ienen p opiedades muy simila es en sus ondas elec omagné icas debido a la ecuencia, po lo an o, a la longi ud de onda. En e las dos bandas se encuen a una pa e del espec o poco conocida, la banda de Te ahe cio(THz) y donde aún se es á es udiando. Es e abajo que he ealizado con í ulo “Expe imen os con ondas de Te ahe cios” se ha basado en hace unas simulaciones de un ipo de an enas especí icas a ecuencias de Te ahe cios con un simulado en el cual había abajado an e io men e y, po lo an o, enía cie o conocimien o de es e simulado . Se ha compa ado los esul ados con o os que habían ealizado o os in es igado es an e io men e y de ese modo, comp oba que los esul ados e an cohe en es. Además, se explica el p ocedimien o seguido y como se u iliza es e simulado . 4 Ag adecimien os Después de cua o meses de habe iniciado es e abajo y da lo po concluido, esc ibo es e apa ado de ag adecimien os pa a inaliza es e abajo de in de g ado. Han sido unos meses de ap endizaje au ónomo, no solo en la pa e cien í ica, sino ambién en lo pe sonal pa a i pudiendo adqui i conocimien os que me an a ayuda de aho a en adelan e pa a se cons an e en el día a día. P ime o de odo, me gus a ía da las g acias a mis compañe os de uni e sidad que me han ayudado en los momen os más du os de la ca e a y han hecho que el camino ue a más ácil de supe a . También que ía da las g acias a mi u o a Ma ía Concepción que desde el p ime momen o me ha ayudado y se ha mos ado abie a en cualquie duda que he enido du an e el abajo. Además, ha sido mi u o a de seguimien o en las p ác icas cu icula es que he ealizado. Finalmen e, mi amilia. No sólo habéis es ado ahí con ues os consejos y me habéis apoyado en cada momen o, sino ambién po el g an es ue zo económico que habéis hecho y nunca habéis e aído nada. ¡Muchas g acias a odos! Miquel Roigé Llop Ba celona, 20 de ene o de 2020 5 His o ial de e isiones y egis o ap o ado Re isión Fecha P opósi o 0 4/09/2019 P ime os con ac os 1 2/10/2019 Reuniones 2 14/10/2019 Co ección de las simulaciones 2.1 19/12/2019 Co ección y e isión de las nue as simulaciones 3 16/01/2019 Re isión del documen o LISTA DE DISTRIBUCIÓN DE DOCUMENTOS Nomb e Co eo elec ónico Miquel Roigé Llop miquel [email protected] Ma ía Concepción San os Blanco msan os@ sc.upc.edu Esc i o po : Re isado y ap obado po : Fecha 26/1/2020 Fecha 26/1/2020 Nomb e Miquel Roigé Llop Nomb e Ma ía Concepción San os Posición Au o del p oyec o Posición Supe iso del p oyec o 6 Tabla de con enido Abs ac ............................................................................................................................ 1 Resum .............................................................................................................................. 2 Resumen .......................................................................................................................... 3 Ag adecimien os ............................................................................................................... 4 His o ial de e isiones y egis o ap o ado ....................................................................... 5 Lis a de igu as ................................................................................................................. 8 Lis a de ablas ................................................................................................................ 12 1. In oducción ............................................................................................................. 13 2. Es ado del a e de la ecnología u ilizada o aplicada en es a esis: .......................... 16 2.1. Los Te ahe cios ................................................................................................ 16 2.2. An enas o oconduc o as .................................................................................. 18 2.3. CST STUDIO SUITE 2019 ............................................................................... 20 2.3.1. C ea un p oyec o ...................................................................................... 21 2.3.2. He amien as básicas del CST S udio Sui e .............................................. 22 3. Me odología ............................................................................................................. 25 3.1. Ma e iales y es uc u a ..................................................................................... 25 3.1.1. Sus a o de A senu io de Galio (GaAs) ...................................................... 25 3.1.2. Conduc o pe ec o (PEC) ......................................................................... 25 3.2. Diseño de las an enas con el simulado CST S udio 2019 ................................ 25 3.2.1. Es uc u a de las an enas .......................................................................... 25 3.2.2. Pue o disc e o .......................................................................................... 37 4. Resul ados .............................................................................................................. 39 4.1. Simulaciones con el CST S udio 2019 .............................................................. 39 4.2. P opiedades gene ales de la simulación .......................................................... 40 4.3. Simulaciones de las an enas con el simulado CST ......................................... 41 4.3.1. Pa áme os S ............................................................................................ 41 7 4.3.2. Impedancia de las an enas ........................................................................ 44 4.3.3. Ene gía ...................................................................................................... 47 4.3.4. Fa ields de las an enas ............................................................................ 49 4.3.5. Di ec i idad de las an enas ........................................................................ 54 4.3.6. E iciencia de adiación ............................................................................... 56 4.4. Rep esen aciones con el código MATLAB ........................................................ 57 4.4.1. Rep esen ación de los campos de la an ena dipolo ................................... 58 4.4.2. Rep esen ación de los campos de la an ena Bow-Tie ............................... 58 4.4.3. Rep esen ación de los campos de la an ena espi al .................................. 59 4.4.4. Rep esen ación de los campos de la an ena Sie pinski ............................. 59 5. P esupues o ............................................................................................................ 61 5.1. Mano de ob a ................................................................................................... 61 5.2. Ma e ial ............................................................................................................ 61 5.3. Licencias de So wa e ...................................................................................... 62 5.4. P esupues o o al.............................................................................................. 62 6. Conclusiones y desa ollo u u o .............................................................................. 63 7. Bibliog a ía .............................................................................................................. 64 8 Lis a de igu as Figu a 1.1. Diag ama de Gan del p oyec o. .................................................................. 15 Figu a 2.1. Rango de ecuencias de Te ahe cios . ........................................................ 16 Figu a 2.2. Dibujo de una an ena o oconduc o a. .......................................................... 18 Figu a 2.3. Pulso de Te ahe cio gene ados con po una an ena dipolo en el CST. ......... 19 Figu a 2.4. An enas diseñadas: a) Dipolo, b) Bow-Tie, c) Espi al y d) Sie pinski. ......... 19 Figu a 2.5. El so wa e CST S udio Sui e 2019 ha sido el u ilizado pa a el p oyec o. ...... 20 Figu a 2.6. Ven ana pa a c ea un nue o p oyec o. ........................................................ 21 Figu a 2.7.Selección del p oyec o a ealiza . .................................................................. 21 Figu a 2.8.Ven ana p incipal del CST. ............................................................................ 22 Figu a 2.9.Pes añas p incipales pa a la ealización del diseño. ...................................... 23 Figu a 2.10. Opciones dis in as del CST. ........................................................................ 23 Figu a 2.11. Fo mas pa a diseña los componen es. ...................................................... 23 Figu a 2.12.He amien as p incipales pa a diseña . ........................................................ 24 Figu a 2.13. Ope aciones gene ales. .............................................................................. 24 Figu a 3.1.Unidades de abajo. ...................................................................................... 26 Figu a 3.2. Pa áme os an ena dipolo. ............................................................................ 26 Figu a 3.3. Ca ac e ís icas del sus a o GaAs. ................................................................ 27 Figu a 3.4. Es uc u a ísica de la an ena dipolo con el CST. .......................................... 27 Figu a 3.5. Rec ángulo acío pa a elimina la pa e de PEC que no se equie e y sus ca ac e ís icas. ............................................................................................................... 28 Figu a 3.6. He amien a de ans o mación pa a copia es uc u as. ............................... 29 Figu a 3.7.Es uc u a inal de la an ena dipolo con sus dimensiones. ............................. 29 Figu a 3.8.Es uc u a an ena Bow-Tie con sus dimensiones ísicas. ....................................................................................................................................... 30 Figu a 3.9. Pa áme os ísicos de la an ena Bow-Tie. ..................................................... 30 Figu a 3.10.B ick ec angula y sus dimensiones. ........................................................... 31 Figu a 3.11.B icks pa a elimina el ec ángulo an e io y sus dimensiones. .................... 31 15 P oyec o: So wa e WP e : WP-3 Cons i uyen e mayo : So wa e Hoja 3 o 3 Desc ipción b e e: Diseño y simulación de las an enas con el so wa e CST S udio. Fecha de inicio: 07/10/19 Fecha de in: 15/01/20 Ta ea T1: Diseño an enas. Ta ea T2: Simulación an enas. En egas: Fecha: GANTT Po o o lado se ha hecho un diag ama de Gan , es una he amien a que mues a de mane a isual el iempo dedicado al p oyec o. Figu a 1.1. Diag ama de Gan del p oyec o. A con inuación, se p esen a una eo ía esumida sob e el abajo y a pa i de ahí se explica más de allado el p oyec o. 16 2. Es ado del a e de la ecnología u ilizada o aplicada en es a esis: 2.1. Los Te ahe cios Los Te ahe cios es un ango de ecuencia muy al o que comp ende el ango de ecuencias en e 300 GHz(banda de mic oondas) y los 3000 GHZ (luz in a oja). G an pa e del espec o elec omagné ico se es á u ilizando pa a mejo a las ecnologías que enemos de uso co idiano, pe o se iene que deci que la banda de Te ahe cios es una banda que aún se es á in es igando y no se ha u ilizado mucho pa a es as ecnologías que es amos u ilizando. Figu a 2.1. Rango de ecuencias de Te ahe cios . Los Te ahe cios es án limi ados en el ámbi o de las comunicaciones pues o que la a mos e a de la ie a es un g an abso ben e de la adiación en es e ango de ecuencia a causa de que algunas moléculas que se encuen an en el ambien e ienen esonancia a es as ecuencias y di icul an la comunicación.[1] Cada ez, es mayo la demanda que hay po odos los usua ios los da os inalámb icos que se u ilizan en los elé onos mó iles o equipos inalámb icos y, po lo an o, es mayo la can idad de ecu sos que se ienen que u iliza en el ango de ecuencias. Un ejemplo de es o es la e olución del IEEE(Ins i u e o Elec ical and Elec onics Enginee s) en la amilia de ecnologías 802.11 el mayo men e nomb ado Wi-Fi. Se empezó con canales de 22 MHz en 1997 y 20 años más a de el ancho de banda ha e olucionado a 2.16 GHz.[2] Los sis emas Wi-Fi de hoy en día ienen una elocidad máxima de has a 400 Mb/s, en 2016 se demos ó que con una ecuencia ce cana a la egión de Te ahe cios, ap oximadamen e a 300 GHz, e a posible en ia da os a unas elocidades de 20Gbi s/s.[3] 17 Hay aplicaciones de Te ahe cios muy in e esan es en comunicaciones: • Duchas de in o mación: si se diseñan células a ecuencia de Te ahe cios se puede ob ene elocidades muy al as (has a Tbps) de una o ma muy e icien e y así ob ene una ducha de da os pa a ob ene in o mación de o ma ins an ánea. Es e concep o de desplega es as células en el uso dia io pe mi i ía a los usua ios ecibi da os de mane a masi a. Además, se usa ían pa a en ega ac ualizaciones de so wa e sin ningún p oblema, ob ene ideos de al a calidad, e c. • Acceso mó il: el uso de los Te ahe cios pa a las comunicaciones más usuales es á bas an e limi ado debido a las g andes pé didas de p opagación en el medio po el cual se ansmi e. Si se llega a a ansmi i las comunicaciones a ecuencias de 300 GHz ( ecuencias de THz bajas) aún se ía posible c ea enlaces inalámb icos que man end ían la capacidad en gigabi s po segundo. Po supues o, es o aún se es á in es igando pe o es una de las g andes aplicaciones con más deseo en las comunicaciones. • Comunicaciones sensibles a la segu idad: la adiación de Te ahe cios puede pene a muchos ipos de ejidos y plás icos, es o se puede u iliza pa a la igilancia de segu idad y pode e si, po ejemplo, las pe sonas que ocul an a mas puedan se de ec adas y e i a males. • Enlaces inalámb icos equi alen es a la ib a: pa a las p óximas gene aciones (5G y 6G) se quie e u iliza pequeñas celdas de al as elocidades que ope a án al espec o de mic oondas. Teniendo en cuen a es o, el ancho de banda de los THz puede se un ecu so a ene muy en cuen a, po que, aunque las pé didas de p opagación sean muy g andes puede se compensado con la al a di ec i idad de las an enas. Po lo an o, las al as elocidades que se pueden consegui con es as pequeñas celdas pueden se conside ado pa a enlaces inalámb icos. 1 1 .Todas es as aplicaciones p o ienen del documen o [2] de la bibliog a ía. 18 2.2. An enas o oconduc o as Pa a ob ene adiación con Te ahe cios no hay muchas o mas con de alle pa a pode p oduci las, aunque se han encon ado o mas pa a pode ob ene las. Una de las mane as más e ec i as es con an enas o oconduc o as. Una an ena o oconduc o a es á o mada básicamen e po 3 pa es: 1. Tensión de pola ización. 2. Elec odos o an ena. 3. Sus a o o oconduc o (no malmen e se puede conside a GaAs). Figu a 2.2. Dibujo de una an ena o oconduc o a. Si se obse a la Figu a 2.2, el ayo de luz azul (láse ) que en a po el espacio que hay en e los elec odos o an ena es la mane a con la que se gene a las ondas de Te ahe cios al pasa po el sus a o o oconduc o . Cuando el ayo de luz que p o iene del láse llega sob e la an ena o oconduc o a los elec ones se gene an y se mue en po el sus a o conduc o . En seguida, debido al ol aje pola izado se gene a una co ien e o o inducida po es os elec ones que se mue en po el sus a o.[5] Es as co ien es que an a iando gene an ondas de Te ahe cios que son las que nos in e esan. Los pulsos que se gene an a la salida son pulsos de Te ahe cios y que ienen una du ación ini a, como se puede e en la siguien e imagen: 1 2 3 19 Figu a 2.3. Pulso de Te ahe cio gene ados con po una an ena dipolo en el CST. Las en ajas que se iene con an enas o oconduc o as son las siguien es: • Funcionan a empe a u a ambien e. • Son de amaño muy pequeño. • Ope an a ecuencias de THz muy al as a di e encia de o os disposi i os. • No equie e uen es láse de al a po encia. • Pueden p oduci pulsos co os con po encias al as. • Son ajus ables y económicas. Las an enas de los documen os que se han es udiado y hecho las simulaciones son an enas o oconduc o as con unas geome ías pa icula es. Las an enas que habían diseñado en la in es igación son: an ena dipolo, an ena bow- ie y an ena espi al [4] y [5] ( e ANEXO 3 y 4). En es e expe imen o se ha añadido la an ena Sie pinki pa a e sus esul ados. a) b) c) d) Figu a 2.4. An enas diseñadas: a) Dipolo, b) Bow-Tie, c) Espi al y d) Sie pinski. 20 Más adelan e, se p esen a la es uc u a y los pa áme os que se han u ilizado pa a diseña las ( e apa ado 3.2). Todos es os diseños se han hecho con el simulado CST S udio Sui e 2019 que es con lo que se ha basado odo es e p oyec o. En el siguien e apa ado se habla del CST S udio Sui e 2019 que es el so wa e con el cual se ha ealizado odo es e expe imen o y se ha podido saca odos los esul ados de es e abajo. 2.3. CST STUDIO SUITE 2019 El CST S udio Sui e 2019 es un so wa e que si e pa a diseña , simula y op imiza componen es y sis emas elec omagné icos y la g an mayo ía de emp esas de ingenie ía lo cali ican como uno de los mejo es p oduc os pa a ealiza odo ipo de diseños. Figu a 2.5. El so wa e CST S udio Sui e 2019 ha sido el u ilizado pa a el p oyec o. Es e p oyec o solo se ha cen ado en la pa e de an enas, con el simulado CST se pueden ealiza muchos ipos de an enas: guías de onda, e lec o es, esonado es, e c. Se han ealizado an enas planas que se componen de: un sus a o o oconduc o , la an ena y el pue o que simula el láse que emi e luz. En el siguien e apa ado, se desc ibe un poco como ealiza un p oyec o con el CST S udio Sui e y las he amien as gene ales que se han u ilizado pa a pode ealiza una an ena. 21 2.3.1. C ea un p oyec o Cuando se inicia el CST S udio Sui e se ab e una pes aña como la que hay a con inuación: Figu a 2.6. Ven ana pa a c ea un nue o p oyec o. Pa a empeza un p oyec o se iene que da clic en el icono de New Templa e Seguidamen e, se ab e una en ana nue a en la que ienes que selecciona el á ea que se quie e abaja . Pa a el diseño de an enas se selecciona el á ea de “MW & RF & Op ical” y, a con inuación, se selecciona la opción de “An ennas”. Figu a 2.7.Selección del p oyec o a ealiza . En es e caso se han diseñado an enas planas se selecciona la opción de “Plana ”. Uno de los úl imos pasos es selecciona si se quie e ealiza las simulaciones en: Time domain → pa a banda ancha o an enas mul ibanda. F equency domain → se selecciona pa a an enas esonan es. Mul ilaye → se selecciona pa a asumi dieléc icos in ini os o planos de ie a in ini os. 22 En el caso de es e p oyec o se ha seleccionado “Time domain”. Además, nos ha á p ede e mina las unidades con las que se quie e abaja , como po ejemplo, las dimensiones de los pa áme os a de ini , la ecuencia que abaja la an ena que se diseña, el iempo anscu ido en la simulación, e c. Finalmen e, la úl ima en ana pide que se ponga la mínima y la máxima ecuencia que se ep esen a en las simulaciones y los moni o es que se quie e ep esen a . Es su icien e con el moni o de “Fa ield” que es el que hace la ep esen ación de los campos, ya sea en 1-D, 2-D o 3-D. 2.3.2. He amien as básicas del CST S udio Sui e En es e apa ado, se explica las he amien as p incipales que se han u ilizado pa a la c eación de cada an ena. Al habe c eado el p oyec o ya se puede empeza a c ea la an ena que se quie a ealiza . En la siguien e igu a, se puede ap ecia la en ana donde se abaja cada p oyec o que se quie a abaja : Figu a 2.8.Ven ana p incipal del CST. Las dis in as pes añas que apa ecen son: - File → Pone las opciones ípicas de cada p og ama (c ea p oyec o, ab i , gua da , gua da como, imp imi , e c). - Home → Opciones gene ales del p og ama. - Modeling → Las he amien as básicas del CST S udio. - Simula ion → Opciones de las simulaciones. - Pos -P occessing → Opciones pa a ep esen a el diag ama de ojo, cálculos de los pa áme os-S, impo a /expo a dis in os a chi os. - View → Opciones de zoom gene ales. 23 Solo se a a cen a en las pes añas de “Modeling”, “Simula ion” y “Pos -P ocessing” ya que son las más impo an es y la que con ienen las cosas más inno ado as. Figu a 2.9.Pes añas p incipales pa a la ealización del diseño. 2.3.2.1. Modeling La pes aña de “Modeling” con iene las he amien as básicas pa a hace el diseño. Es la opción que se encuen a en cada en ana la de impo a y expo a a chi os, ya sea una an ena como cualquie componen e diseñado. Backg ound → Se da la la opción de pode escoge las condiciones de en o no. Como po ejemplo conside a si el sus a o es un plano in ini o pa a no ene pé didas en la simulación. Figu a 2.10. Opciones dis in as del CST. Ma e ial Lib a y → Como bien dice es la lib e ía de ma e iales. Pe mi e escoge de una lis a p ede e minada el ma e ial que que emos u iliza . New/Edi → Si no se ha encon ado el ma e ial p ede e minado con es a opción se puede c ea con las ca ac e ís icas in ínsecas del ma e ial que se equie e a u iliza . Figu a 2.11. Fo mas pa a diseña los componen es. En el apa ado de Shapes se encuen an las dis in as o mas pa a pode diseña dis in os componen es ya sea una an ena, coaxiales, e c. Se puede c ea median e o mas básicas es e as, iángulos, cilind os, ec ángulos, e c. 24 Figu a 2.12.He amien as p incipales pa a diseña . Seguidamen e se encuen an las he amien as que se u ilizan pa a hace modi icaciones en dis in os componen es. T ans o m → si e pa a coge el componen e y hace o aciones sob e él o pone lo en alguna coo denada en conc e o. Además, si e pa a hace una copia del componen e modi icado. Align → si e pa a alinea componen es en e si, es deci , si se quie e que dos obje os engan la coo denada cen al en el mismo pun o. Boolean → Es la he amien a que pe mi e hace acciones en e dos o más componen es. Hay unas cuan as que son las más ú iles pa a usa : Si e pa a añadi un componen e sob e o o. Pa a qui a la pa e de un componen e sob e o o. In e seca dos componen es y queda la in e sección. Inse a un componen e sob e o o y o ma pa e de ese componen e. Figu a 2.13. Ope aciones gene ales. 31 Figu a 3.10.B ick ec angula y sus dimensiones. 2) C ea o o b ik acío pa a qui a las pa es del b ik PEC innecesa ias. Figu a 3.11.B icks pa a elimina el ec ángulo an e io y sus dimensiones. 3)U iliza la he amien a de ans o mación pa a copia el b ik acío en el o o lado y añadi lo a la es uc u a. 32 4)C ea un iangulo PEC con la he amien a Ex ude. Figu a 3.12. C eación de un iángulo con la he amien a Ex ude. 5)Coge los b iks del ec ángulo y iangulo y u iliza la he amien a Add pa a conside a como una única es uc u a. Figu a 3.13. Rep esen ación del iángulo con el ec ángulo u ilizando la he amien a Add. 6)U iliza la he amien a de ans o mación pa a copia la es uc u a de mane a simé ica. Figu a 3.14. Rep esen ación de la es uc u a Bow-Tie con la he amien a de ans o mación se ha duplicado la es uc u a an e io . 33 3.2.1.3. Es uc u a an ena Espi al La an ena espi al ue un poco complicada de ealiza pues o que al p oba muchos alo es ce canos a los in es igados no salía una es uc u a cohe en e . El sus a o de GaAs es el mismo que los o os po lo an o se explica di ec amen e como hace la an ena espi al. Pa a hace la an ena espi al hay una mac o p ede e minada en la cual se en an los alo es de cómo se quie e que sea la espi al y la ep esen a. Po lo an o, los pasos a segui son: 1) En la pes aña de Home se selecciona Mac os y se da clic en Cons uc → Coils → Plana Loga i hmic Spi al. Apa ece á una pes aña como la de la siguien e imagen: Figu a 3.15. Mac o pa a ealiza la espi al. Thickness → Rep esen a el g oso de la an ena (se puede deja en 1 como p ede e minado). Numbe o Tu ns → Núme o de uel as que quie e que haga la espi al( no iene po que se un núme o en e o, puede se decimal). Ini ial Radius → Radio inicial cons an e. R1 → Radio in e no de la espi al. R2 → Radio ex e no de la espi al. Alpha y he a → Coo denadas pola es. 34 Los pa áme os que se u iliza on pa a ealiza la espi al ue on c eados de mane a que la espi al u ie a unas medidas que no sob epasa an el amaño del sus a o que se de inió an e io men e, y queda on los alo es siguien es: Figu a 3.16. Mac o con los pa áme os ísicos u ilizados pa a la an ena espi al. El pa áme o desde el que se pa ió ue el “Ini ial Radius” que es el adio cons an e que se u iliza pa a pode ealiza la espi al y es el mismo que se ha u ilizado en los documen os que se ha es udiado es e ipo de an enas (23um). Después, median e las ó mulas que sale en la mac o de la espi al ( 1 y 2) se aplica on las ó mulas pa a pode saca los alo es de los o os pa áme os. Sob e odo se eque ía que la 2 ue a más pequeña que la dimensión X del sus a o de la an ena. Figu a 3.17.Es uc u a de la an ena espi al diseñada con el CST. 35 3.2.1.4. Es uc u a an ena Sie pinski La es uc u a de la an ena Sie pinski se necesi a habe c eado un código pa a la ealización de la an ena. Las pa es en las que se han di idido pa a hace la an ena Sie pinski han sido las siguien es: 1) C ea un b ick donde abaja la an ena PEC. Figu a 3.18. Rec ángulo de PEC c eado con sus ca ac e ís icas. 2) Qui a la ba a del medio pa a deja lo con acío con la he amien a Subs ac . Figu a 3.19. Es uc u a acía c eada. 36 3) Vacia la es uc u a del medio con la he amien a Subs ac . Figu a 3.20. B ick acío pa a ealiza la an ena Sie pinski. 4) Ba as de bias y añadi las en la es uc u a. Figu a 3.21. Ba as de bias pa a alimen a con la es uc u a Sie pinski oda la an ena y sus espec i as ca ac e ís icas ísicas. 5) C ea una mac o pa a la ejecución au omá ica de la es uc u a Sie pinski(VER CÓDIGO ANEXO 1). 37 Figu a 3.22. Es uc u a c eada con la mac o y la es uc u a inal de la an ena Sie pinski espec i amen e. 3.2.2. Pue o disc e o Cuando la es uc u a de las an enas ya es á diseñada se p ocede a la alimen ación de co ien e pa a gene a los campos. La uen e de es as an enas como se ha dicho an e io men e es un láse , pa a la simulación con láse se u ilizan los pue os disc e os. Los pue os disc e os se u ilizan p incipalmen e pa a simula uen es de elemen os ag upados. Es os pue os son una buena ap oximación de la uen e que se quie e u iliza pa a simula los campos lejanos de las an enas. En el simulado CST se puede u iliza o os ipos de pue os que alimen an coaxiales o líneas mic os ip, pe o no se en a en de alle en es os pue os. Pa a pode pone un pue o disc e o en la es uc u a de la an ena se a a la pes aña de Simula ion y se escoge el icono que pone disc e e po . Al en a se puede e que hay es ipos de pue os disc e os: S-Pa áme o, ol aje y co ien e. • S-Pa áme o → Consis e en una uen e de co ien e en la cual lle a una impedancia in e na que exci a y abso be ene gía. Es e pue o pe mi e el cálculo de pa áme os S en unción de las señales de en ada y de salida. • Vol aje → Gene a una uen e con una ampli ud de ol aje cons an e. Si el pue o no se es imula en el análisis ansi o io, el ol aje a lo la go del cable es 0. • Co ien e → Gene a una uen e de co ien e con una ampli ud de co ien e cons an e. Es a señal que se gene a queda egis ada en el simulado . 38 En es e p oyec o ha in e esado calcula los pa áme os S de cada an ena pa a e a que ecuencias esuenan las an enas, po lo an o, se ha u ilizado el pue o disc e o de pa áme o-S. Cuando se ha seleccionado el pue o se iene que pone las coo denadas iniciales po donde a a i el pue o. A pa i de ahí, se puede empeza con las simulaciones. 39 4. Resul ados La pa e de esul ados se di ide en es pa es: en la p ime a pa e se explica cómo se han hecho las simulaciones con el simulado CST S udio, la segunda pa e se explican las p opiedades gene ales de la simulación pa a pode op imiza la simulación y la e ce a pa e son el esul ado de las simulaciones que se han ob enido. 4.1. Simulaciones con el CST S udio 2019 Después de ene bien de inidas las dis in as es uc u as de las an enas se iene que hace las simulaciones. P ime o se ienen que de ini bien los pa áme os que que emos simula , empezando po el ango de ecuencia donde amos a simula . Es as an enas como bien dice el p oyec o son an enas que abajan a ecuencia de Te aHe cios. Po lo an o, el p ime paso ha sido de ini el ango de ecuencias. Pa a eso se ab e el p oyec o donde hay de inida la an ena y en la en ana de Simula ion se selecciona la opción que ma ca F ecuency. Seguidamen e se ab e o a en ana donde se de ine el ango de ecuencias. En el caso de es e p oyec o las simulaciones han sido en e 0.2 THz a 2 THz ya que sob e los 2 THz la an ena abaja en égimen pe manen e. Figu a 4.1.Con igu ación de la ecuencia de simulación. Luego se selecciona Backg ound y se accede a sus p opiedades. Figu a 4.2.P opiedades pa a cambia el en o no de simulación. 40 Al en a a las p opiedades, lo único que se iene que hace es esc ibi el alo de la cons an e dieléc ica del sus a o de la an ena en el apa ado épsilon. Pues o que así, las condiciones de en o no son ideales y e i a las pé didas de p opagación del medio. Es o es ideal pa a e cómo se compo a ía la an ena sin pé didas de en o no. Finalmen e, pa a ayuda a que la simulación se ealice con el meno iempo posible es impo an e accede a Bounda ies. Es a opción pe mi e simula un ozo de la an ena como si ue a oda la an ena siemp e y cuando sea uni o me y simé ica. Figu a 4.3.Condiciones de los lími es de simulación pa a op imiza la simulación. En la imagen an e io se mues a las condiciones de sime ía de los planos pa a que se ac i en los planos de sime ía en la an ena. Se puede e que se calcula el campo magné ico en una di ección (XZ) y el campo eléc ico (YZ). 4.2. P opiedades gene ales de la simulación Es e es uno de los apa ados más impo an es y que puede da mayo ayuda a la ho a de que e ealiza una simulación compleja. Hay diseños que pueden se complejos y la esolución puede se muy al a y hace que el iempo de simulación sea muy la go. Pa a eso, hay las p opiedades gene ales de la simulación en las que puede op imiza es e iempo. Pa a baja lo man eniendo la esolución cons an e se iene que i en la en ana Simula ion → Global P ope ies. 47 4.3.3. Ene gía Figu a 4.13. Ene gía de la an ena dipolo simualada a dis in os alo es de ai e. Figu a 4.14. Ene gía an ena dipolo compa ada(Figu a ANEXO 4). Figu a 4.15. Ene gía de la an ena Bow-Tie simulada a dis in os alo es de ai e. 48 Figu a 4.16.Ene gía an ena Bow-Tie compa ada(Figu a ANEXO 4). Figu a 4.17.Ene gía an ena espi al simulada. Figu a 4.18. Ene gía an ena espi al compa ada(Figu a ANEXO 4). 49 Figu a 4.19. Ene gía an ena Sie pinski simulada con alo es dis in os de ai e. Como se puede obse a en las dis in as igu as, la ene gía que ienen las an enas simuladas es igual que las que se compa an. Tiene un pico de ene gía al ins an e = 0 ns ap oximadamen e, y que a dec emen ando con el paso del iempo, has a que llega un momen o que se man iene cons an e. 4.3.4. Fa ields de las an enas Los Campos lejanos ep esen ados de cada an ena se han e aluado en dis in os pun os ecuenciales, conc e amen e en ecuencias de 0.2 THz, 0.5 THz, 1 THz y 2 THz. En es e p oyec o se ep esen an las de 0.2 THz y la de 2 THz. 4.3.4.1. Fa ields dipolo a) b) Figu a 4.20.Di ec i idad de la an ena dipolo a ecuencia de 2THz, a) ángulo The a s dBi y b)2D. 50 a) b) c) Figu a 4.21.Rep esen ación de la di ec i idad a la ecuencia de 2 THz: a) 3D, b) The a s dBi, c) 2D. Se puede obse a que en la ecuencia de 0.2 THz hay más in e e encia que si se obse a a 2 THz. En los pa áme os S se puede e que hay muchas ecuencias de esonancia en la zona de 0.2 THz que no a la de 2 THz po lo an o, es o hace que haya una in e e encia en la ep esen ación del campo adiado. 51 4.3.4.2. Fa ields Bow-Tie a) b) c) Figu a 4.212. Rep esen ación de la di ec i idad de la an ena bow- ie a la ecuencia de 0.2 THz: a) The a s dBi,b) 3D, c) 2D. a) b) c) Figu a 4.223. Rep esen ación de la di ec i idad de la an ena bow- ie a la ecuencia de 2 THz: a) The a s dBi, b)2D y c) 3D. 52 La an ena bow- ie es pa ecida a la an ena dipolo en cuan o a la adiación del campo, aunque se obse a que la esolución de la di ec i idad es más cla a y no hay an a in e e encia. 4.3.4.3. Fa ields espi al a) b) c) Figu a 4.234.Rep esen ación di ec i idad an ena espi al a la ecuencia de 0.2 THz: a) The a s dBi, b)2D y c)3D. a) b) c) 53 Figu a 4.245. Rep esen ación de la di ec i idad de la an ena espi al a la ecuencia de 2 THz: a) The a s dBi, b) 2D y c) 3D. La an ena espi al se analiza que es más di ec i a que las o as dos ya que el ancho de haz de la di ec i idad es más es echo a ecuencias bajas. 4.3.4.4. Fa ields Sie pinski a) b) c) Figu a 4.256.Rep esen ación de la di ec i idad de la an ena Sie pinski a la ecuencia de 0.2 THz: a) The a s dBi, b) 2D y c) 3D. 54 a) b) c) Figu a 4.27. Rep esen ación de la di ec i idad de la an ena espi al a ecuencia de 2 THz: a) The a s dBi, b) 2D y c) 3D. En las ep esen aciones de la an ena Sie pinski se analiza que la an ena a ecuencias mayo es es mucho más di ec i a y llega a alo es de 24, 3 dBi. En cambio, a ecuencias pequeñas de Te ahe cio la di ec i idad es más pequeña (7,76 dBi). 4.3.5. Di ec i idad de las an enas En las siguien es imágenes se ealiza la ep esen ación de la di ec i idad de cada an ena en una dimensión. A ecuencias bajas de Te ahe cios odas las an enas excep uando la Bow-Tie ienen una di ec i idad muy pequeña, y a ecuencias mayo es an inc emen ando la di ec i idad. Figu a 4.28.Di ec i idad de la an ena dipolo en e 0.2 THz y 2 THz. 55 Figu a 4.29. Di ec i idad an ena bow- ie en e 0.2 THz y 2 THz. Figu a 4.30.Di ec i idad an ena espi al en e 0.2 THz y 2 THz. Figu a 4.31. Di ec i idad an ena Sie pinski en e 0.2 THz y 2 THz. 56 4.3.6. E iciencia de adiación La e iciencia de adiación queda de inida como la elación de po encia adiada po la an ena y la po encia en egada a la an ena. Como se ha comen ado an e io men e, la e iciencia de las an enas a ecuencia de e ahe cio es muy pequeña. Se obse a que las e iciencias son muy bajas en odas las an enas, aunque en la an ena espi al a ecuencias bajas, el endimien o es bas an e más al o en compa ación al es o de pun os. Figu a 4.26. E iciencia de adiación de la an ena dipolo. Figu a 4-27. E iciencia de adiación de la an ena bow- ie. Figu a 4.28. E iciencia de adiación de la an ena espi al. 63 6. Conclusiones y desa ollo u u o El obje i o p incipal de es e p oyec o e a comp oba que los esul ados que ob u ie on los in es igado es en la ealización las p uebas con las dis in as an enas a ecuencia de Te ahe cios, salían igual que las an enas que se diseña on con el simulado CST. Además, se que ía da una explicación gene al de cómo se diseña on es as an enas y pode da una isión global del uso del simulado CST pa a usua ios que en un u u o quie an desa olla an enas con el so wa e. En la documen ación que es a adjun ada en los anexos no salen odos los pa áme os de las an enas que se han que ido compa a . A pa i de aquí, se ha podido e que los pa áme os que se han podido compa a han coincidido mayo men e con los diseñados. Po lo an o, las an enas hechas con el simulado se han diseñado bien. Los demás pa áme os se han comen ado gene almen e con los concep os que se han adqui ido du an e odo el p oceso de es udio. Además, las ep esen aciones de los campos de las an enas en dis in as is as se han gene ado con el código MATLAB que p o ienen de los a chi os de CST. Diseña an enas que abajan a ecuencias de Te ahe cios no es una a ea sencilla pues o que aún es án en expe imen o. Se ha podido conclui que las an enas diseñadas en es e p oyec o abajan mejo a ecuencias de Te ahe cios bajas, pe o quizás po el diseño de la an ena se han ob enido los campos con in e e encias y pod ían habe se mejo ado es os esul ados. Po úl imo, que ía comen a que hay una pa e del p oyec o que po la al a de iempo no se ha podido ealiza un es udio de los campos ob enidos de las simulaciones de la an ena, y median e el uso de una len e y aplicando eo ía de ayos ob ene los esul ados del es udio. En un u u o me gus a ía pode desa olla es a pa e del p oyec o que no se ha podido ealiza con más iempo y pode segui in es igando. 64 7. Bibliog a ía [1] Radiación de e ahe cios.(Sin echa). En Wikipedia. Recupe ado el 6 de Ene o de 2020 de: h ps://es.wikipedia.o g/wiki/Radiaci%C3%B3n_de_ e ahe cios [2] V.Pe o , A.Pya a e, D.Mol chano , Y.Kouche ya y.(8 Janua y, 2020)."Te ahe z Band Communica ions: Applica ions, Resea ch Challenges, and S anda diza ion Ac i i ies"[Publicación en un o o].Mensajepublicadoen: h p://www. esea chga e.ne /publica ion/311462222_Te ahe z_band_communica ions_Applica ions _ esea ch_challenges_and_s anda diza ion_ac i i ies. [3] S.Re uel a Ma ínez. "Pho oconduc i e an ennas o e ahe z adia ion". M Thesis, Escola Tècnica Supe io d'Enginye ia de Telecomunicació de Ba celona, Uni e si a Poli ècnica de Ca alunya,Ba celona, España, 2018. [2] Ga u o, A., Ca luccio, G., & Llomba y Ne o, A. (2018). "No hon Equi alen Ci cui o Pulsed Pho oconduc i e An ennas Pa I: Theo e ical Model". IEEE T ansac ions on an ennas and p opaga ion, ol 66, no 4 (pp. 1635-1645), ap il 2018. DOI: 10.1109/TAP.2018.2796384. [3] Ga u o, A., Ca luccio, G., & Llomba y Ne o, A. (2018). "No hon Equi alen Ci cui o Pulsed Pho oconduc i e An ennas Pa II: Expe imen al Valida ion". IEEE T ansac ions on an ennas and p opaga ion, ol 66, no 4 (pp. 1646-1659), ap il 2018. DOI: 10.1109/TAP.2018.2796384. [5] Y. Huang, N. Khiabani,(Sin echa). "Te ahe z Pho oconduc i e An ennas" [Diaposi i as]. Recupe ado de:h ps://www.e- e ma .o g/ iles/communica ion/Huang-MUL-2016-Vol14-Ma ._Ap .- 11%20Te ahe z%20Pho oconduc i e%20An ennas......pd 65 Anexos ANEXO 1:CÓDIGO MACRO PARA REPRESENTAR LA ANTENA SIERPINSKI 66 67 ANEXO 2: CÓDIGO MATLAB PARA LA REPRESENTACIÓN DE LOS CAMPOS DE LOS ARCHIVOS DE CST clea close all load(' _0_5. x ', '-ascii') a= _0_5; % adia ion pa e n choice % p=3 abs, p=4 Xpol, p=6 copol b=a(:,3); =(0:1:180); p=(0:1:360); = *pi/180; p =p*pi/180; c= eshape(b,leng h( ),leng h(p)-1); d=[c,c(:,1)]; %no malized o ze o dB dm=max(max(d)); e=d-dm; %a oiding nega i e alues ss=min(min(d)); i ss>0 ss=0; end =d+abs(ss); x1=sin( ')*cos(p ); y1=sin( ')*sin(p ); z1=cos( ')*ones(size(p )); x2= .*x1; y2= .*y1; z2= .*z1; % o plo only he posi i e z ields 2= (1:91); x12=sin( 2')*cos(p ); y12=sin( 2')*sin(p ); igu e(1) colo map('je ') h=pcolo (p, ,d); caxis([-40+dm dm]) se (h,'edgecolo ','none') colo ba xlabel(' phi') ylabel(' he a') igu e(2) colo map('je ') h=pcolo (x12,y12,e(1:91,:)); 68 caxis([-30 0]) se (h,'edgecolo ','none') xlabel('sin( he a)cos( phi)') ylabel('sin( he a)sin( phi)') colo ba % igu e(3) % % h=su (x2,y2,z2, ) % mm=max(max([ ])); % caxis([mm-40 mm]) % se (h,'edgecolo ','none') % colo map('je ') % colo ba % xlabel('x') % ylabel('y') 69 ANEXO 3: REPRESENTACIÓN DE LAS ANTENAS DE LOS INVESTIGADORES CON LOS PÁRAMETROS UTILIZADOS 70 ANEXO 4: DOCUMENTACIÓN PRINCIPAL PARA REALIZAR EL ESTUDIO 71 72