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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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 3
Radioenlace de comunicaciones
Comunicaciones por satélite(segmento embarcado en satélite y segmento terrenal)
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 4
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• …
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 5
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)
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 6
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 7
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,…)
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 8
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.
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 9
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.
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 10
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.
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(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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 12
Ejemplos de dispositivos relacionados con la
asignatura de Antenas y Circuitos Antenas y Circuitos de Alta Frecuenciade Alta Frecuencia
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 13
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 1414
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 1515
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 1616
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 17
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)
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 18
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 19
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)
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 20
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
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 21
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)
Presentacion ACAF. Master EPS-UAM 22
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)