Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia -...

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia

Dpto. de Ingeniería InformáticaEscuela Politécnica Superior

Universidad Autónoma de Madrid

Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación, 2o cuatrimestre (6 créditos ECTS)

Profesores: Jorge A. Ruiz CruzJose Luis Masa Campos

{jorge.ruizcruz, joseluis.masa}@uam.es

Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 2

Sistemas de radiodifusión(p.ej. televisión digital terrestre)

Estaciones base de comunicacionesmóviles (GSM, UMTS,…)

Contexto de la asignatura


Radioenlace de comunicaciones

Comunicaciones por satélite(segmento embarcado en satélite y segmento terrenal)


Todos estos sistemas tienen en común que constan de un subsistema hardware de microondas-milimétricas.

Los dispositivos/circuitos del subsistema de microondas-milimétricas pueden ser pasivos o activos:

- Dispositivos activos: Amplificadores de potencia, osciladores, conversores de frecuencia,…

- Dispositivos pasivos: Típicamente los elementos radiantes (las antenas) y su sistema de alimentación formado por:

• Filtros• Multiplexores• Divisores/Combinadores• Acopladores• Ortomodos• …


Onda media

Onda corta

VHF

UHF

Microondas

Milimétricas

Ópticas

10-100 MHz

1 THz

1 KHz

1-30 GHz

Circuitos integrados analógicos

Guías de onda

Líneas de transmisión

Circuitos ópticos

Cavidades metálicas

Bandas de frecuencias en comunicaciones

Frecuencia

Circuitos integrados digitales (DSP)


Antenas y Circuitos de alta

frecuencia

TÉCNICAS DE OPTIMIZACIÓN

(gradiente, genéticos,...)

CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

(Radiación y propagación de ondas)

SÍNTESIS DE CIRCUITOS(síntesis de filtros,

transformadores,...)

TÉCNICAS DE ANÁLISIS(Métodos numéricos de onda completa:

Elementos Finitos, Métodos de los momentos,..)

Disciplinas involucradas


Objetivos de la asignatura

- presentar los dispositivos que constituyen la cadena de radiofrecuencia (RF) de un sistema de comunicaciones típico, desde la antena a los subsistemas de RF (acopladores, filtros, multiplexores, amplificadores,…)

- estudiar las principales técnicas de diseño de estos dispositivos y las principales características de las tecnologías usadas en RF (planar, cable coaxial, guía de onda,…).

- presentar los principales tipos de antenas (dipolo, parche, bocina, arrays,…)


Programa orientativo de la asignatura

- Procesado de señal en RF: funciones y subsistemas de la sección de RF de un sistema de comunicaciones. Principales sistemas de guiado en alta frecuencia y efecto de las discontinuidades.

- Diseño de circuitos de alta frecuencia

-Circuitos pasivos: redes de adaptación de impedancias, divisores de potencia y acopladores, filtros paso bajo y paso banda de microondas. Multiplexores.

- Introducción a los circuitos activos: amplificadores de microondas, osciladores y mezcladores.

- Diseño de antenas: Lineales (dipolo, Yagi), de parche y bocinas.

- Agrupaciones de antenas: arrays. Conceptos de diagrama del elemento y del factor de array. Fundamentos de síntesis de arrays de antenas.

- CAD de antenas y de circuitos de RF. Ejemplos de diseño utilizando diversas herramientas.


Bibliografía básica

- D. M. Pozar, "Microwave engineering", New York, John Wiley & Sons, 1998

- R. E. Collin, "Foundations of microwave engineering", New York, Wiley-Intersc., 2001

- D. M. Pozar, "Microwave and RF wireless systems", N.Y., J. Wiley&Sons, 2000

- G. L. Matthaei, L. Young, E. M. T. Jones, "Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structres", Dedham Artech House cop. 1980

-Ángel Cardama y otros, “Antenas”, Edicions UPC 1993.

- Constatine Balanis, “Antenna Theory. Analysis and Design”, John Wiley & Sons 1997.

- W.L. Stutzman, “Antenna Theory and Design”. Wiley. 1981.


Evaluación (dependerá del número de alumnos):

- Asistencia y participación en las clases

- Realización regular de ejercicios prácticos (problemas o programas)

- Realización y exposición pública de un proyecto/diseño de amplitud moderada

- Examen escrito

Dependiendo del número de alumnos, la evaluación podrá estar más orientada a la realización de distintos diseños guiados por los profesores, que involucren cálculos teóricos, simulaciones y/o fabricación y medida de dispositivos.

11

(1) Grupo de Radiación del Dpto. de Señales Sistemas y

Radiocomunicaciones

Universidad Politécnica de MadridE.T.S.I. Telecomunicación, Ciudad Universitaria s/n

28040 Madrid, España

Grupo de Radiocomunicaciones y Comunicaciones Ópticas del

Dpto. de Ingeniería Informática, Universidad Autónoma de Madrid

Escuela Politécnica Superior, C/ Francisco Tomas y Valiente 11,

28049 Madrid, España

Curso de Antenas y Circuitos de Alta FrecuenciaGrupos Colaboradores

(2) Dpto. de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos


Ejemplos de dispositivos relacionados con la

asignatura de Antenas y Circuitos Antenas y Circuitos de Alta Frecuenciade Alta Frecuencia


Antena de 65º a 1.80 GHz

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

theta (deg)

E (

dB)

galibo-mingalibo-maxfi=0º CPfi=0º XPfi=90º CPfi=90º XP

Vertical pol. º

Sectorial 65º & 90º antennasCrosspolar +/-45º

Sectorial 65º antenna

Cosecant function in elevation radiation pattern

Antenas de estación base para los sistemas: GSM, UMTS, DECT, 3.5 GHz

Compañías colaboradoras: Sistemas Radiantes Moyano, RYMSA, SIEMENS, Movistar, Vodafone, Bouygues Telecom, France Telecom.

Antenas de estación base de telefonía móvil


Diagrama de radiación - =0º frec=12.5 GHz

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tetha(º)

(dB

)

Med. CPMed. XPIdeal

φ Diagrama de Radiación Medido 12.3 GHz

-40-35-30-25-20-15-10-50

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90Theta(º)

(dB

)

CP PHI=0ºCP PHI=90ºXP PHI=0ºXP PHI=90º

Diseños de muy alta frecuencia y banda de milimétricas : DBS (12 GHz), banda milimétricas (37 GHz)

Tecnología de parche microstrip, y alimentación a través de redes en guía onda.

Compañias colaboradras: INDRA, TELEVES, ESA.

Agrupaciones de antenas planas


Diseños banda de milimétricas (40 GHz)

Diagramas con coberturas especiales en azimuth y elevación

Compañias colaboradras: INDRA

Agrupación cilíndrica de ranuras en guía

Monopolo con polarizador

Antenas conformadas


Diseños en banda L y S (1- 3 GHz)

Antenas de gran tamaño y circuitería RF asociada

Compañias colaboradras: INDRA

Antenas embarcadas y sistemas radar


Filtro Banda Ka: elíptico y autoecualizado 6-2-2

(orden 6, 2 ceros de transmisión y 2 de ecualización) 29.94 29.96 29.98 30

0

10

20

30

40

50

Frecuencia (GHz)

Ret

ard

od

e G

rupo

(ns)

Línea continua: teórica

Línea trazos: “fullwave”del filtro diseñado

29.94 29.96 29.98 300

10

20

30

40

50

Frecuencia (GHz)

Ret

ard

od

e G

rupo

(ns)

Línea continua: teórica

Línea trazos: “fullwave”del filtro diseñado

29.9 29.95 30 30.05-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frecuencia (GHz)

|s21

||s

11|

(dB

)

29.9 29.95 30 30.05-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frecuencia (GHz)

|s21

||s

11|

(dB

)

Filtros de polos extraídos

(ALCATEL-ESPACIO)


Comparación de las medidas y la simulación teórica:

Filtros dual-mode

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21|

(d

B)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21|

(d

B)

11.72 11.76 11.8 11.84 11.88-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

11.65 11.7 11.75 11.8 11.85 11.9 11.95-40

-30

-20

-10

0

Mode-MatchingMedidaCircuital


Short - slot couplers

Topología de la estructura en guía de onda:

Acopladores

18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

BCMM-FFTMeasurement

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB

)

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB

)1

2

3

4

1

2

3

4

|S11|, |S41|

|S11|

|S41|

(ALCATEL-ESPACIO)


Unión OMT básica con un

septummetálico

Puerta común circular

Puerta axial

Puerta lateral

H

V

zx y

De (o hacia) la antena

Ortomodos (OMT´s)

Puerta común cuadrada


OMT del satélite Hispasat 1D (EADS-CASA)

13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Vertical (GAM-GC)Vertical (Measurements)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (Measurements)

Frequency(GHz)| ρ

V|,

|ρH| (

dB)

Frequency(GHz)| ρ

V |, |ρH

| (dB

)

(H)

(V)

V Mask

H Mask

V Mask

H Mask

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15-60

-50

-40

-30

-20

-10

0Vertical (GAM-GC)Vertical (HFSS)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (HFSS)

Frequency(GHz)

|ρV|,

| ρH| (

dB)

Frequency(GHz)

|ρV|,

| ρH| (

dB) (H)

(V)

V

H

OMT del satélite Amazonas (EADS-CASA).

Ortomodos (OMT´s)


10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Tra

nsm

issi

on(d

B)

Multiplexores

Multiplexores en estructura manifold (banda contigua) de 3 y 5 canales

5 canales de 90 MHz a 11, 11.16, 11.32, 11.48 y 11.64 GHz

(CICYT)

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