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Prueba 2: Exposición del tema
Introducción 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)
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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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)
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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
''
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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
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
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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
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
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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 grandesPara sistemas pequeños, es preferible una elección híbrida
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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
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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)
Nuevos conceptos de diseño
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26
Alternativas para sistemas de antenas activas
Antena parcialmente activa (RX)
Antena parcialmente activa (TX)
Antenas semiactivas
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Matrices activas y semiactivas
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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
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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
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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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32
Sistemas adaptativos vs sistemas de antenas activas
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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
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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
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35
Diseño de un radiador activo en recepción
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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.
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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
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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
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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)
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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
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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 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
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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
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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
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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)
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45
Diseño del amplificador: elección del punto de trabajo
Se consigue:- NF =0,53 dB- Gp = 17 dB
Zant ≈ 40 + j45
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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?
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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
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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
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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
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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:
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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
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52
Trazado físico del circuito amplificador
Red de polarización
Punto de conexión a antena
Red de radiofrecuencia
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53
Esquema y foto de la antena activa
Transistor
Input matchingnetwork
Patch
GroundPlane
Insulator
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Medidas
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55
Medidas a realizar
Adaptación de la antena activa Incremento de la “ganancia aparente” Factor de mérito G/T
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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
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Medida de la figura de mérito G/T
Cámaraanecoica
Dispositivo activoa medir: Ta, G
Antenaauxiliar
Receptor: Te, G1
Medidor depotencia
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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 => 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
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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