Prueba 2: Exposici

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Prueba 2 Exposición del temaIntroducción a
los radiadores activos amplificadores en recepción

• Asignatura Laboratorio de Radiofrecuencia

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Objetivos

• Introducción al concepto de antena activa
• Aplicación al diseño y construcción de un
  radiador activo amplificador en recepción
• Medida de la G/T de la antena activa

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Requisitos

• El estudiante ha cursado
• Microondas y Circuitos de Alta Frecuencia
• Diseño de amplificadores lineales de bajo ruido
• Transmisión y Propagación
• Fundamentos de las antenas impresas
• Sistemas y Canales de Transmisión y Electrónica
  de Comunicaciones
• Concepto de G/T

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Planteamiento del problema

• El diseño del radiador activo en recepción se
  plantea desde el punto de vista de una aplicación
  del diseño de amplificadores lineales de bajo
  ruido con las siguientes particularidades
• La fuente de excitación es exterior al circuito y
  viene constituida por la señal captada por la
  antena.
• Sólo se debe usar (G/T óptima) una red de
  adaptación a la salida.
• Búsqueda de la impedancia óptima de entrada.

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Índice

• Introducción al concepto de antenas activas
• Concepto de G/T
• Particularización para un radiador activo en
  recepción
• Diseño de un radiador activo en recepción
• Diseño del amplificador
• Elección y diseño del radiador (parche)
• Diseño de la red de adaptación
• Medidas
• Medida del incremento de ganancia aparente
• Medida del mérito (G/T)
• Conclusiones

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Introducción al concepto de antenas activas
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Introducción al concepto de antena activa (I)
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Introducción al concepto de antena activa (II)
G/T

• En la fórmula de Friis
• Si d es el alcance del enlace PR es la
  señal mínima detectable

• Qué ocurre con el ruido?
• Incoherente
• Incorrelado
• Polarización aleatoria

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Introducción al concepto de antena activa (III)
G/T
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Introducción al concepto de antena activa (IV)
G/T
a) Si corresponde a un manantial extenso
b) Si el manantial es aparentemente puntual
Os(OT)ltltlóbulo principal de antena receptora
Sf Bfs Os
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Introducción al concepto de antena activa (V) G/T
Radiación de Planck (cuerpo negro)
Aplicable en todo el rango de microondas a 300
GHz Bf(Rayleigh-Jeans)lt1.03 Bf(Planck)
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Introduction to the active antenna concept
(Brightness temperature)
Antenna with defined polarisation
Emissivity, Function of surface state
Grey body, not black
Brightness temperature
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Introducción al concepto de antena activa
(Temperatura de ruido de una antena) G/T
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Introducción a las antenas activas concepto de
G/T

• Característico de la cadena de recepción
  completa
• (tiene valor constante a lo largo de toda la
  cadena)

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Hertz channels absortion
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Absorción en la atmósfera
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Situación en los años 70
Prestaciones Arrays Sistemas focalizantes
Buenas Apuntamiento control e.m. N grados de libertad Superficial Compacto RECONFIGURABILIDAD Pocas pérdidas Baja temperatura de ruido G/T
Malas Lóbulos del array Costo Pérdidas Apuntamiento por geometría Pocos grados de libertad Volumen, peso Aberraciones ópticas
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Antenas activas
1) Y si las pérdidas (L) corresponden también a
la circuitería de conexión antena-receptor? 2)
Y en el caso de un array donde la circuitería de
alimentación de los radiadores es una parte
intrínseca de la antena?
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Antenas activas (II)

• SOLUCIÓN 1
• Si se puede, póngase el receptor pegado a la
  antena
• En el plano de referencia la contribución de L al
  ruido total está dividida por la ganancia del
  amplificador que le precede

• SOLUCIÓN 2
• En un array existen niveles a, b, c, (por orden
  de prioridad) donde poner los primeros
  amplificadores

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Conceptos clásicos de array
Array de exploración
Array de múltiples haces
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Antenas activas (III)
Consideración GESTIÓN DISTRIBUIDA DE LA ENERGÍA
(múltiples receptores). Extensión del concepto
a transmisión (múltiples transmisores)
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Concepto de antena activa
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Módulo de transmisión-recepción
Un módulo monolítico T/R es apropiado sólo para
sistemas activos grandes Para sistemas pequeños,
es preferible una elección híbrida
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Sistemas activos vs arrays de elementos activos
Array de elementos activos
Sistema activo

• Un módulo activo por subarray
• Caracterización sencilla (medidas separadas de
  los radiadores y de los circuitos activos)
• Ahorro de diplexores

• Un circuito activo por radiador
• Alta reconfigurabilidad
• Permite una separación física importante entre la
  antena y el transceptor
• Se necesitan muchos diplexores, aumentando el
  interés en elementos auto-diplexados

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Radiadores activos

• Radiadores amplificadores
• En recepción
• En transmisión
• Radiadores auto-oscilantes
• Simplifica la red de conformación de haz
• Todos los radiadores deben trabajar en fase
• Radiadores activos con interfaz de entrada-salida
  IF
• Radiador activo mezclador
• Oscilador externo
• Radiador totalmente activo
• Antena autodiplexada (DURO de conseguir)

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Alternativas para sistemas de antenas activas
Antena parcialmente activa (TX)
Antenas semiactivas
Antena parcialmente activa (RX)
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Matrices activas y semiactivas
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Clasificación de antenas activas
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Diagrama de bloques de unradiador activo
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Efectos generales de los sistemas de antenas
activas

• En recepción
• Incremento de la figura de mérito del sistema G/T
• En transmisión
• Menor efecto de las pérdidas en los circuitos de
  control (si hay conformación de haz se realiza
  con baja potencia de RF o a nivel de FI)
• Aumento de la PIRE del sistema
• Mejor eficiencia si se utilizan dispositivos de
  estado sólido
• Menor coste (mayor eficiencia de conversión)
• Más fácil control térmico

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Concepto de antena adaptativa
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Sistemas adaptativos vs sistemas de antenas
activas
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Ventajas y desventajas de las antenas impresas
frente a las no impresas
IMPRESAS NO IMPRESAS
ESTRUCTURA PLANA BAJO PESO FÁCIL FABRICACIÓN BAJO COSTE CONFORMABILIDAD BAJAS PÉRDIDAS FÁCIL DE MODELAR CAPACIDAD DE POTENCIA ALTA GANANCIA GRAN VARIEDAD DE MODELOS
ONDAD DE SUPERFICIE MODOS SUPERIORES BAJA EFICIENCIA BANDA ESTRECHA BAJA PUREZA DE POLARIZACIÓN PESADAS TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN MALAS NO CONFORMES DIFÍCIL DE INTEGRAR
Disadv. Adv.
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The core concept of the array design

• Good aperture efficiency interelement
  spacing is about elementary radiator electrical
  size
• Interelement spacing is usually fixed by the
  desired beams.
• In general
• Is there a radiator with this degree of freedom?

CIRCULAR PATCHES
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Diseño de un radiador activo en recepción
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Planteamiento del problema

• El diseño del radiador activo en recepción se
  plantea desde el punto de vista de una aplicación
  del diseño de amplificadores lineales de bajo
  ruido con las siguientes particularidades
• La fuente de excitación es exterior al circuito y
  viene constituida por la señal captada por la
  antena.
• Sólo se necesita una red de adaptación a la
  salida.
• Búsqueda de la impedancia óptima de entrada.

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Diseño de un amplificador lineal de microondas

• Objetivo
• Determinación de las impedancias de carga ZS y ZL
  
• Características de diseño pedidas al
  amplificador estabilidad, ruido , ganancia.
• Desadaptación a la entrada y a la salida
  (desajuste entre ZS y Zin ó ZL y Zout)

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Diseño de un radiador activo amplificador en
recepción
Red de Adaptación de entrada

• Similitudes
• Diseño de un amplificador de bajo ruido, estable
  y con las máximas ganancia y adaptación posibles
• Diferencias
• La antena constituye el generador de entrada y
  viene caracterizado por una impedancia Zant.
• La red de adaptación de entrada desaparece para
  reducir pérdidas y ruido
• El mínimo ruido que pide el amplificador exige
  una impedancia que debe suministrar la antena

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Proceso de diseño
Punto de partida elección del transistor y del
radiador (parche)
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Ejemplo de aplicación especificaciones

• Banda 3.5 GHz, anchura de banda pequeña (no es
  característica limitante)
• Amplificador de bajo ruido condicionalmente
  estable a la frecuencia de trabajo ATF-35143
• Incremento de ganancia aparente con antena
  activa respecto a la pasiva de 10 dB
• Simulación con Libra o Microwave Office
• El circuito se debe construir en Arlon 600

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Concepto de estabilidad

• Definición un amplificador es estable cuando la
  potencia reflejada en la puerta del amplificador
  es menor que la potencia incidente.
• Condición el módulo del coeficiente de reflexión
  es menor que 1.
• Objetivo determinar las cargas GL (ZL)
  (circunferencia de estabilidad de carga) y GS
  (ZS) (circunferencia de estabilidad de fuente)
  que hacen que GIN y GOUT sean menores que 1.
• Realización de las circunferencias de estabilidad
• Determinación de la región de estabilidad

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Diseño del amplificador estudio de la estabilidad

• Amplificador potencialmente estable

Regiones estables de fuente y carga
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Diseño del amplificador estudio del ruido

• Circunferencias de NF 0.47, 0.53 0.6, 0.7, 0.8,
  0.9, 1 y 1.1 dB en plano GS

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Diseño del amplificador estudio de la ganancia

• Circunferencias de gp 10, 12, 14, 16 y 17. 7335
  dB en plano GL (rojo), y sus transformadas
  respectivas en plano Gin (azul)

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Diseño del amplificador elección del punto de
trabajo

• Se consigue
• NF 0,53 dB
• Gp 17 dB

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Diseño del radiador requisitos

• No hay interfaz entre la antena y el
  amplificador
• La impedancia de la antena debe estar cercana a
  la del amplificador
• La antena debe ofrecer un amplio margen de
  impedancias
• Antenas resonantes

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Diseño del radiador criterios

• Elemento radiante parche circular
• Parámetros
• Radio parte real de la impedancia
• Altura del substrato
• Posición de la sonda valor pico de la parte real
  y de la parte imaginaria de la impedancia

• R 1,6 cm
• h 4 mm
• Sonda 0,6 cm del centro
• fres 4,28 GHz

Simulaciones
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Diseño de la red de adaptación de salida

• Topología de simple stub acabado en c.a.
• Simulación optimizada
• con LIBRA

15.4 mm
0.92 mm
IN
OUT
0.35 mm
2.5 mm
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Proceso de diseño
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Red de polarización selección del punto de
trabajo

• Inicialmente se eligió la topología de circuito
  autopolarizado gt Problemas en la práctica para
  conseguir el punto de polarización deseado.
• Por ello finalmente empleamos la siguiente
  topología

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Red de polarización aislamiento red de
polarización- red de RF

• Aislamiento RF-DC
• Bobinas de choque
• (líneas de alta Z0 de ?/4)
• acabadas en condensadores (10 pF, 47 pF y 1 nF) a
  masa

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Trazado físico del circuito amplificador
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Esquema y foto de la antena activa
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Medidas
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Medidas a realizar

• Adaptación de la antena activa
• Incremento de la ganancia aparente
• Factor de mérito G/T

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Medida del incremento de ganancia aparente

• Montaje para la medida

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Medida de la figura de mérito G/T
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Medida del mérito G/T (II)

• Generador de potencia apagado
• Generador de potencia encendido
• Llamando Y
• El mérito será
• Determinación de S0 gt Antena receptora es antena
  pasiva (de ganancia conocida, 9 dB)

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Conclusiones

• Se ha introducido el concepto de antena activa
  como elemento que aumenta la figura de mérito de
  un sistema en recepción y aumenta la PIRE en
  transmisión.
• Se ha diseñado un radiador activo en recepción
  considerándolo como un amplificador de cargas
  distintas de la característica.
• Se han introducido los procesos de medida.

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Bibliografía

• Garg, Barthia, Bahl, Ittipiboon. Microstrip
  Antenna Handbook. Artech House 2001
• T. Itoh Active Integrated Antennas. IEEE Press,
  1999
• R.E. Collin Foundations for Microwave
  Engineering, Segunda Edición 1992, Mc.Graw Hill.
• V. González, D. Segovia, J.L. Vázquez, E. Rajo
  and C. Martín A Review and Classification of
  Active Antennas Applied Microwave and Wireless,
  pp. 74-82