1

Prueba 2: Exposición del tema

Introducción a los radiadores activos amplificadores en

recepción

Asignatura: Laboratorio de Radiofrecuencia

2

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

3

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

4

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.

5

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

6

Introducción al concepto de antenas activas

7

Introducción al concepto de antena activa (I)

Ruido S/N

Fórmula de Friis

PIRE

Desadaptación en transmisión Desadaptación en recepciónDistancia

Frecuencia

Depolarización

Pérdidas en régimen guiado

R

TXCIRC

ACOPLOCIRC

ACOPLORX

Pdt

LtLr

PTPR

Per

Gr(σ)Gt

d

8

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

Es tal que S/N> umbral que permite la extracción de la información

Suma en potencia: i

iNN

RX

NR

C

NA

Nb

Na

P

9

Introducción al concepto de antena activa (III): G/T

4

2 TT

G

Fuente emisora de

ruidoB

4

2 RR

GΩT

ΩR

Brillo

RTRT

RT

TRTT

RRTR Bd

Bd

PG

dP

dPIRE

SP

22222

144

Friis

10

a) Si corresponde a un manantial extenso

b) Si el manantial es aparentemente puntual: Ωs=(ΩT)<<lóbulo principal deantena receptora: Sf= Bfs Ωs

Introducción al concepto de antena activa (IV): G/T

ff

f

ff

f fRf

ff

f fRR

ffTTRR

dfSdfPdfdDBP

df

dBBdDBdP

4

,,

,,;,,

Densidad espectralde ruido

Densidad espectral de flujoDensidad espectral de potencia

11

Introducción al concepto de antena activa (V): G/T

1exp

122

3

kThfc

hfB f

Radiación de Planck (cuerpo negro)

Ley de Rayleigh-Jeans (cuerpo negro, f ↓)

2

1

2

21

1...2

1exp

kT

BkThf

Si

xx

xx

f

x

Aplicable en todo el rango de microondas; a 300 GHz Bf(Rayleigh-Jeans)<1.03 Bf(Planck)

12

Introduction to the active antenna concept (Brightness temperature)

fTkdDfTk

constBf

dfdDTk

P

R

f

ff

fRbb

42

42

,

.

,2

21

Antenna with defined polarisation

Grey body, not black

TT

fBB

B

fBBf

,, Emissivity,Function of surface state

Brightness temperature

13

Introducción al concepto de antena activa (Temperatura de ruido de una antena): G/T

fTk

dD

dDT

fkfk

dDTfk

P

A

B

R

BRN

4

4

42

42

,

,,

....

,,2

21

14

Introducción a las antenas activas: concepto de G/T

TG

TTG

fTkN

fTkN

GPIREC

NNC

NC

RARR

AA

R

RA

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

15

Hertz channels: absortion

Sky temperature, Ts(θ,Φ)

RX

Attenuation:A, Tm

Nm+N’sNA

As

mA

mm

sS

ss

TfkA

T

ATfkN

AfTkN

A

NN

fTkN

'1

1

11

'

If the absorbing mean occupies the wholemain lobe and Ts is constant:

Common absorbing means:-Atmosphere: T0, A0

- Radomes: Tr, Ar

- Dielectric masts:Td, Ad

drdr

A

rr

rr

dr

AA

AAT

AT

AAAT

AT

AT

AT

AAAT

T

112

11

11

11

11

00

00

00

0

''

16

Absorción en la atmósfera

17

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

18

Antenas activas

RX (Fn)

G’, T’AG, TA

L

11'1

'

00

nA FTLTTL

LGTG

1) ¿Y si las pérdidas (L) corresponden también a la circuitería de conexiónantena-receptor?2) ¿ Y en el caso de un array donde la circuitería de alimentación de los radiadoreses una parte intrínseca de la antena?

10

nA FTTG

TG

RX (Fn)

G, TA

REAL

Pérdidasóhmicas

IDEAL (todas las óhmicas)

XD

19

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

RX (Fn) G1, Fn1 Gi, Fni….

G, TA

L

RX (Fn)

G’, T’A

G1, Fn1

1

010

11'

'

G

TLFTT

GTG

nA

SOLUCIÓN 2 En un array existen niveles a, b,

c, … (por orden de prioridad) donde poner los primeros amplificadores

….a

b

c

20

Conceptos clásicos de array

Array de exploración

Array de múltiples haces

21

Antenas activas (III)

Consideración: GESTIÓN DISTRIBUIDA DE LA ENERGÍA

(múltiples receptores).

Extensión del concepto a transmisión (múltiples transmisores)

22

Concepto de antena activa

23

Módulo de transmisión-recepción

Un módulo monolítico T/R es apropiado sólo para sistemas activos grandesPara sistemas pequeños, es preferible una elección híbrida

24

Sistemas activos vs arrays de elementos activos

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

Sistema activo Array de elementos activos

25

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)

Nuevos conceptos de diseño

26

Alternativas para sistemas de antenas activas

Antena parcialmente activa (RX)

Antena parcialmente activa (TX)

Antenas semiactivas

27

Matrices activas y semiactivas

28

Clasificación de antenas activas

ANTENAS ACTIVAS

ARRAYS ACTIVOSRADIADORES ACTIVOS

Parcialmente activos

Arrays semiactivos

(en TX)

Arrays quasi convencionales (módulos T/R)

Totalmente activos

Transmisor Receptor Auto diplexado

Diplexor externo

OL AMP

* RF* FI* óptica

Interfazcircuital

29

Diagrama de bloques de una antena activa integrada

Dispositivo

RFseñal

Antena activa Potenciaradiada

Diagrama de bloques de unradiador activo

Dispos. activo

Línea de transmisión

ANTENA

RFseñal

Diagrama de bloques de una antena convencional

Potencia radiada

30

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

31

Concepto de antena adaptativa

32

Sistemas adaptativos vs sistemas de antenas activas

33

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

Dis

adv.

Ad

v.Ventajas y desventajas de las antenas

impresas frente a las no impresas

34

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

35

Diseño de un radiador activo en recepción

36

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.

37

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)

Red de Adaptaciónde entrada

Red de Adaptación

de salida[S]

Z0

IS Z0

ZoutZin

ZSZL

38

Diseño de un radiador activo amplificador en recepción

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

Red de Adaptaciónde entrada

Z0

IS

Red de Adaptación

de salidaZ0[S]

ZoutZin

ZSZL

Zant

IS

39

Proceso de diseño

Elección deldispositivo

• Tipo: bipolar, FET• Configuración: EC, BC• Clase: A, AB, B, C• Fabricante

Caracterizacióndel dispositivo

Datos del fabricanteo caracterización propia

Tecnología

Selección substrato

Red depolarización

• Selección del punto de trabajo• Circuito DC para obtenerlo• Red de desacoplo• Red de polarización independiente del circuito

Diseño de redesde adaptación

• Cálculo de impedancias: parche• Síntesis de la red de salida

Medida y ajuste

Elementos ajustables

Punto de partida: elección del transistor y del radiador (parche)

40

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

mmhδr 63.0 ,10 tg, 6 3

41

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 ΓL (ZL) (circunferencia de estabilidad de carga) y ΓS (ZS) (circunferencia de estabilidad de fuente) que hacen que ΓIN y ΓOUT sean menores que 1.

Realización de las circunferencias de estabilidad

Determinación de la región de estabilidad

1

1 22

11

L

LIN s

s 1

1 11

22 S

SOUT s

s

22

22

**1122

s

ssLC 22

22

2112

s

ssRLC

22

11

**2211

s

ssSC 22

11

2112

s

ssRSC

42

Diseño del amplificador: estudio de la estabilidad

Amplificador potencialmente estable

Regiones estables de fuente y carga

1

1 22

11

L

LIN s

s 1

1 11

22 S

SOUT s

sPosible ubicación de las cargas de antena

43

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 ΓS

Región de la impedancia de ruido mínimo donde debe estarla impedancia del parche

44

Diseño del amplificador: estudio de la ganancia

Circunferencias de gp = 10, 12, 14, 16 y 17. 7335 dB en plano ΓL (rojo), y sus transformadas respectivas en plano Γ*in (azul)

45

Diseño del amplificador: elección del punto de trabajo

Se consigue:- NF =0,53 dB- Gp = 17 dB

Zant ≈ 40 + j45

46

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

¿Qué parámetro controla la parte real de la impedancia?

La pendiente da una variaciónmás o menos rápida con la frecuencia¿qué lo controla?

47

Diseño del radiador: criterios

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

Simulaciones

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

48

Diseño de la red de adaptación de salida

Topología de simple stub acabado en c.a.

Simulación optimizada

con LIBRA

IN OUT

15.4 mm

2.5 mm

0.92 mm

0.35 mm

49

Proceso de diseño

Red depolarización

• Selección del punto de trabajo• Circuito DC para obtenerlo• Red de desacoplo• Red de polarización independiente del circuito

Medida y ajuste

Elementos ajustables

Elección deldispositivo

• Tipo: bipolar, FET• Configuración: EC, BC• Clase: A, AB, B, C• Fabricante

Caracterizacióndel dispositivo

Datos del fabricanteo caracterización propia

Tecnología

Selección substrato

Diseño de redesde adaptación

• Cálculo de impedancias: parche• Síntesis de la red de salida

Punto de partida: elección del transistor o del parche

50

Red de polarización: selección del punto de trabajo

Inicialmente se eligió la topología de circuito autopolarizado => Problemas en la práctica para conseguir el punto de polarización deseado.

Por ello finalmente empleamos la siguiente topología:

51

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

Red de polarización: aislamiento red de polarización- red de RF

V G V D

52

Trazado físico del circuito amplificador

Red de polarización

Punto de conexión a antena

Red de radiofrecuencia

53

Esquema y foto de la antena activa

Transistor

Input matchingnetwork

Patch

GroundPlane

Insulator

54

Medidas

55

Medidas a realizar

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

56

Medida del incremento de ganancia aparente

)()()()()(

)()()()()()()(

)()()(

2_1

12_11

1221

dBLdBGdBLdBGdBL

dBmPdBLdBGdBLdBGdBLdBmP

dBmPdBmPdBS

cablerxlibreespaciotxcable

cablerxlibreespaciotxcable

)()()()( ___21_21 dBGdBGdBSdBS PASIVArxACTIVArxPASIVAACITVA

Antena Transmisora

Antena Receptora

Analizador de Redes

Puerto 1 Puerto 2

Cámara Anecoica

Montaje para la medida:

)()()( _21_21 dBSdBSdBG PASIVAACITVAa

57

Medida de la figura de mérito G/T

Cámaraanecoica

Dispositivo activoa medir: Ta, G

Antenaauxiliar

Receptor: Te, G1

Medidor depotencia

58

Medida del mérito G/T (II)

Generador de potencia apagado: Generador de potencia encendido:

Llamando Y

El mérito será:

Determinación de S0 => Antena receptora es antena pasiva (de ganancia conocida, 9 dB)

BTTk

SG

P

PY

ea

Rx

OFF

ON

0

2

41

BGTTkP eaOFF 1

01

2

1 4SGGBGTTkP RxeaON

0

2

4

1

S

kBY

TT

G

T

G

ea

Rx

S

r

G

PS

20

4

59

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.

60

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