Trabajo Fin de Grado. SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA EN GUÍA DE ONDA EN BANDA X (Automatic waveguide measurement system in X-band)

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Trabajo Fin de Grado SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA EN GUÍA DE ONDA EN BANDA X (Automatic waveguide measurement
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Trabajo Fin de Grado SISTEMA AUTOMATIZADO DE MEDIDA EN GUÍA DE ONDA EN BANDA X (Automatic waveguide measurement system in X-band) Para acceder al Título de Graduado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación Autor: María Santos Valle Julio E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN GRADUADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓN CALIFICACIÓN DEL TRABAJO FIN DE GRADO Realizado por: María Santos Valle Director del TFG: Jesús Ramón Pérez López Título: Sistema automatizado de medida en guía de onda en banda X Title: Automatic waveguide measurement system in X-band Presentado a examen el día: 21 de Julio de 2017 para acceder al Título de GRADUADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓN Composición del Tribunal: Presidente (Apellidos, Nombre): Basterrechea Verdeja, José Secretario (Apellidos, Nombre): García Gutiérrez, Alberto Eloy Vocal (Apellidos, Nombre): Pérez López, Jesús Ramón Este Tribunal ha resuelto otorgar la calificación de:... Fdo.: El Presidente Fdo.: El Secretario Fdo.: El Vocal Fdo.: El Director del TFG (sólo si es distinto del Secretario) Vº Bº del Subdirector Trabajo Fin de Grado Nº (a asignar por Secretaría) Antes de comenzar con el trabajo, quiero agradecer a todos los miembros del departamento GISAR, en especial a José Basterrechea Verdeja, por darme la oportunidad de poder trabajar con ellos en este proyecto, y sobre todo a mi tutor Jesús Ramón Pérez López por su dedicación para poder realizar este TFG, las largas conversaciones, explicaciones, consejos y apoyo que me ha dado a lo largo del desarrollo de este trabajo. A todos los profesores que han formado parte de nuestra formación por la cantidad de cosas enseñadas para conseguir que tengamos una buena base para ser ingenieros. A mis amigas, Tedi y Bárbara, por preocuparse por mi cada día, su cariño y apoyo, por todos los momentos vividos y los que vendrán. A mis compañeros de clase, sobre todo a las personas que he conocido en estos años y que considero mis amigos, con los que he compartido tiempo de estudio y muy buenos momentos fuera de la universidad, gracias a todos. A Miguel, por ser mi otra mitad, quererme, aguantarme y apoyarme siempre. Sin ti, este no hubiera sido el final del cuento. A mi familia, en especial a mi madre, Merche, por su apoyo incondicional, ayuda, esfuerzo y fortaleza en los momentos más difíciles, y a mi hermana, Sara, por ser el motor de mi vida. Sin vosotras, ninguna de estas líneas tendría sentido. A mi padre, Silvestre, con tu incansable fortaleza me enseñaste que el esfuerzo y la dedicación tiene su recompensa, que los sueños hay que perseguirlos sin rendirse y, aquí estoy hoy, cumpliendo tu sueño. Se que, aunque no estés aquí con nosotras, de alguna manera siempre lo estas. Siempre serás mi héroe. Índice de contenidos Capítulo Introducción Introducción Objetivos y estructura del trabajo... 3 Capítulo Conceptos teóricos Introducción Parámetros de dispersión (Parámetros de Scattering) Definición Propiedades Guía de onda rectangular Modos de propagación en guía de onda rectangular...9 Modo transversal eléctrico (TE)...10 Modo transversal magnético (TM)...11 Propagación monomodo o del modo fundamental TE Analizador de redes E8362A Capítulo Descripción del sistema de medida y aplicación de control Introducción Generalidades de la aplicación Analizador de redes Funciones y configuración del analizador de redes Opciones GPIB...20 Opciones de medida...20 Opciones de control Representación de los parámetros... 25 Capítulo Pruebas y resultados Introducción Cortocircuito y tramo de guía λ/ Carga adaptada Carga adaptada de Leybold Carga adaptada de Narda Atenuador Atenuador 3 db Atenuador 5 db Atenuador 10 db Antena ranurada de Leybold didactic Antena bocina piramidal de Leybold didactic Capítulo Conclusiones y líneas futuras Conclusiones Líneas futuras Referencias... 56 Índice de figuras Figura 1. Geometría de una estructura de tipo reflectarray....2 Figura 2. Red de dos puertos....7 Figura 3. Detalle de guías de onda rectangular y circular....8 Figura 4. Detalle de la guía de onda rectangular (a b)....9 Figura 5. Atenuación en guía de onda rectangular para los modos TE y TM Figura 6. Líneas de campo magnético, corrientes y cargas superficiales del modo TE Figura 7. Líneas de campo en guía de onda rectangular para distintos modos Figura 8. Analizador de redes E8362A de Agilent Technologies Figura 9. Diagrama de bloques del sistema de medida Figura 10. Interfaz de bienvenida y acceso al programa Figura 11. Esquema con detalle de interfaces gráficas y su interacción Figura 12. Pantalla principal con acceso a la configuración remota del analizador de redes, realización de medidas, procesado y gestión de ficheros Figura 13. Diagrama de flujo simplificado de la interfaz gráfica del analizador de redes Figura 14. Acceso a la configuración de la tarjeta y dirección del equipo sobre el bus Figura 15. Opciones de medida contempladas Figura 16. Acceso a la realización de medidas, procesado y gestión de ficheros Figura 17. Diagrama de flujo simplificado del proceso de medida gestionado desde la aplicación Figura 18. Mensaje de error en la conexión Figura 19. Ventana de visualización de la medida Figura 20. Ejemplos de visualización de medidas Figura 21. Diagrama de flujo de la interfaz gráfica de visualización Figura 22. Guía de onda rectangular Figura 23. Propagación ondas TEM en guía de onda rectangular Figura 24. Ventana de edición gráfica Figura 25. Sistema de medida Figura 26. Tramo de guía λ/4 y cortocircuito del kit de calibración Figura 27. Resultados de la medida en cortocircuito Sij Figura 28. Resultados de la medida con cortocircuito desplazado λ/4 sobre el plano de referencia Figura 29. Carga adaptada de Leybold Figura 30. Resultados de la medida con la carga adaptada de Leybold Figura 31. Carga adaptada de Narda Figura 32. Resultados de la medida de la carga adaptada de Narda Figura 33. Atenuador variable en guía de onda Figura 34. Resultados de la medida de un atenuador 3 db Figura 35. Resultados de la medida de un atenuador 5 db Figura 36. Resultados de la medida de un atenuador 10 db Figura 37. Antena ranurada en guía de onda con 7 ranuras, cuya longitud de ranura es de 20 mm Figura 38. Resultados de la medida de una antena ranurada Figura 39. Tipos de antena bocina de sección rectangular Figura 40. Antena bocina piramidal de Leybold Didactic Figura 41. Resultados de la medida de una antena bocina Capítulo 1 Introducción 1.1. Introducción Una antena, en sus muy diversas formas, se entiende según la definición del IEEE como una de las partes de un sistema transmisor o receptor, específicamente diseñada para radiar o recibir ondas electromagnéticas. En todo sistema de radiocomunicación, según el tipo de aplicación o la banda de frecuencias de interés, se utiliza un determinado tipo característico de antenas, con aplicaciones tanto en el sector militar como en el civil (radioenlaces terrestres, sistemas de radiodifusión, comunicaciones móviles e inalámbricas, comunicaciones por satélite, radiodeterminación, etc). En comunicaciones a grandes distancias se precisan antenas de ganancia elevada, siendo los reflectores parabólicos y las agrupaciones de antenas en sus muy diversas formas, las más utilizadas. El primer tipo de antenas tienen como inconveniente su superficie curvada, ya que dificulta su fabricación para el uso en altas frecuencias, y el segundo tipo presentan una red de alimentación bastante compleja. Por ello, una alternativa a estas antenas son las antenas reflectarrays [1]. En este tipo de antenas, su versión más básica consiste en una matriz plana de elementos radiantes como por ejemplo guías de onda, parches microstrip, dipolos, etc, que son iluminados a través de una antena de alimentación, y están prediseñados para volver a radiar y dispersar el campo incidente con los desfases que se necesitan para formar un frente de onda plano. Un ejemplo de este tipo de estructuras se muestra en la Figura 1. Estructuras como la de la Figura 1 están formadas por una superficie periódica, cuyos elementos, típicamente llamados celdas unidad, son idénticos. Los elementos están constituidos por capas de materiales dieléctricos y metálicos, combinados de tal forma para que se produzcan efectos capacitivos e inductivos, consiguiendo así respuestas controladas ante un campo incidente. Debido a estas características, dichas superficies se las conoce como superficies selectivas en frecuencia (FSS, Frequency Selective Surfaces) [2], dado que actúan cumpliendo su función en un determinado ancho de banda en torno 1 Capítulo 1: Introducción a las frecuencias de trabajo. El diseño de estas estructuras se basaba en la combinación de geometrías ajustadas en base a prueba y error, aunque actualmente se han desarrollado diferentes métodos numéricos. Figura 1. Geometría de una estructura de tipo reflectarray. Aparte de su uso para antenas reflectarrays, este tipo de superficies tiene diversas aplicaciones [3]: Subreflector dicroico: utilizado en antenas de tipo Cassegrain, la FSS es colocada como subreflector siendo totalmente transparente a una frecuencia y totalmente opaca a otra frecuencia, de tal manera que se puede transmitir en ambas frecuencias sin tener interferencia. Radomos (recubrimientos de antenas): permiten la protección de las partes más sensibles de los sistemas radar y antenas del ambiente físico en el que están situados con un impacto mínimo en sus características eléctricas. También es utilizada para disminuir la sección radar en los sistemas radar, siendo transparente a la frecuencia de operación y, por lo tanto, otorgando al sistema reflexión total al resto de frecuencias. Polarizadores: actúan de forma diferente sobre dos componentes de campo ortogonales, de tal manera que, si los campos incidentes tienen igual módulo y fase, la polarización resultante sea distinta de la onda incidente. 2 Capítulo 1: Introducción 1.2. Objetivos y estructura del trabajo La caracterización experimental de estructuras periódicas para FSS o antenas reflectarrays requiere la construcción de los prototipos a tamaño real y su posterior medida en una cámara anecoica. Este proceso tiene un coste elevado, por lo que es necesario pensar en alternativas que, bajo ciertas restricciones y a partir de una celda unidad de dicha estructura, permitan estimar la respuesta de un determinado prototipo en la fase inicial de diseño de aquél. En este sentido, aprovechando la experiencia del grupo de investigación GISAR y el equipamiento de laboratorio del que se dispone, puede pensarse en desarrollar un sistema de medida en guía de onda rectangular que permita realizar la caracterización de dichas celdas unidad como paso previo en las fases de diseño y desarrollo de prototipos. Además, el disponer de un sistema de medida en guía puede abrir el rango de aplicaciones del sistema, pudiendo aplicarlo, por ejemplo, a la caracterización de materiales dieléctricos. El objetivo principal de este Trabajo Fin de Grado (TFG) se centra en el diseño de un sistema automatizado de medida en guía de onda en banda X ( GHz), utilizando un kit de calibración [4] en guía, un PNA (E8362A) [5] como equipo de medida y un ordenador desde el cual se realizará el control remoto del PNA a través de una interfaz USB/GPIB [6]. Desde el punto de vista funcional, se desarrollará una aplicación en Matlab para controlar el equipo de medida y que permita al usuario realizar la medida, gestionar los ficheros resultantes y representar los resultados. Para validar el sistema de medida propuesto se utilizará la aplicación para medir diferentes dispositivos pasivos con una respuesta en frecuencia conocida. El trabajo se ha estructurado en cinco capítulos. Como extensión a este primer capítulo de introducción, en el segundo capítulo se exponen los conceptos teóricos básicos sobre los parámetros de scattering y la guía de onda rectangular, incluyendo una breve descripción del equipo de medida utilizado. En el tercer capítulo, eje central de la actividad desarrollada en este TFG, se explica detalladamente el funcionamiento de la aplicación de control y medida desarrollada en Matlab. A continuación, en el cuarto capítulo se presentan una serie de resultados utilizados como referencia para testar y depurar el funcionamiento del sistema automatizado de medida, considerando diferentes dispositivos con respuesta conocida: cortocircuito, tramo de guía de longitud λ/4, carga adaptada y adaptación de antenas. En el último capítulo se exponen las conclusiones de este TFG, así como las posibles líneas futuras de trabajo, pensando en la fabricación y caracterización de algún tipo de celda unidad de una estructura objeto de análisis. 3 Capítulo 2 Conceptos teóricos 2.1. Introducción La radiación electromagnética puede entenderse como el conjunto de ondas eléctricas y magnéticas que, conjuntamente, se desplazan por un medio, guiado o no guiado. Dichas ondas, convenientemente tratadas y moduladas, pueden emplearse como soporte para la transmisión de información, dando lugar a una forma de comunicación. Centrando el análisis en la propagación radioeléctrica de las ondas electromagnéticas y en los efectos que el medio ejerce sobre aquellas, merece ser reseñado el uso que se hace del espectro radioeléctrico. Básicamente, el espectro radioeléctrico divide en segmentos la frecuencia, dando lugar a las bandas de frecuencia, las cuales se atribuyen a distintos servicios, de acuerdo con el cuadro resumen que se muestra en la Tabla 1. La gestión y asignación de las bandas de frecuencia es competencia de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Tabla 1. Clasificación de las bandas de frecuencia [7]. Frecuencias Designación Servicios Típicos 3 30 KHz VLF (Very Low Frequency) Enlaces de radio a gran distancia KHz LF (Low Frequency) Enlaces de radio a gran distancia y ayudas a la navegación MHz MF (Medium Frequency) Radiodifusión 3 30 MHz HF (High Frequency) Comunicaciones a media y larga distancia MHz VHF (Very High Frequency) Enlaces de radio, televisión y FM GHz UHF (Ultra High Frequency) Enlaces de radio, navegación aérea, radar y televisión 3 30 GHz SHF (Super High Frequency) Radar y enlaces de radio GHz EHF (Extra High Frequency) Radar y enlaces de radio 4 Capítulo 2: Conceptos teóricos El término microondas hace referencia a señales de frecuencia entre 300 MHz a 300 GHz, que supone un rango de longitud de onda electromagnética de 1 mm a 1 m y que incluye a las bandas de UHF, SHF y EHF [7]. Además, se puede realizar una subdivisión de frecuencias dentro del rango de microondas como el que se plantea en la Tabla 2. Tabla 2. Clasificación de las frecuencias de microondas [7]. Banda L S C X Ku K Ka V W mm Frecuencias 1 2 GHz 2 4 GHz 4 8 GHz 8 12 GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz El uso de las frecuencias de microondas para la transmisión de información entre extremos constituye una de las formas más eficientes de transmisión de señales en el espacio libre y el desarrollo de sistemas en estas bandas de frecuencia es importantísimo, destacando entre las aplicaciones / sectores la navegación marítima, el control aéreo y las telecomunicaciones. Entre las principales ventajas de los sistemas radio desarrollados en estas bandas se incluyen, por ejemplo: La ganancia de la antena es proporcional a su tamaño eléctrico. A frecuencias más altas, es posible una mayor ganancia de la antena. Se puede trabajar normalmente con un mayor ancho de banda. Las señales no son absorbidas por la ionosfera como ocurre con las señales de frecuencias más bajas. La superficie efectiva radar de un objeto es proporcional al tamaño eléctrico del mismo. Esto quiere decir que la sección recta-radar es más elevada y, por lo tanto, se obtiene una mayor precisión en los sistemas radar. Dentro de los circuitos de microondas, las estructuras en guía de onda son de las más utilizadas en este rango de frecuencias, con múltiples usos entre los que destacan el diseño de filtros, multiplexores, transformadores de señal y otros dispositivos que tienen como 5 Capítulo 2: Conceptos teóricos función adaptar, repartir o combinar la/s señal/es para su posterior uso en los sistemas de comunicación. Además, dichas estructuras gozan de mejores propiedades eléctricas (menores pérdidas) y mecánicas (estabilidad). En este TFG, el desarrollo del sistema de medida contempla tres posibles bandas de frecuencia, X, Ku y K, debido a que son las bandas de frecuencia que soporta el PNA E8362A utilizado como equipo de medida (realmente la banda K se ha contemplado pensando en dejar abierto el sistema a otros equipos de medida, porque el límite superior del PNA se queda en 20 GHz). En realidad, y aunque el diseño de la aplicación está pensado para estas tres bandas, nos hemos centrado en la realización de medidas en banda X, utilizando el kit de calibración en guía de onda WR-90 [8]. En las siguientes secciones se incluye una revisión de los conceptos teóricos relacionados con los parámetros de scattering y los medios de transmisión guiados. Finalmente, también se incluye una introducción a las medidas con el analizador de redes utilizado en el TFG Parámetros de dispersión (Parámetros de Scattering) Todo circuito de microondas se puede caracterizar mediante las matrices de impedancias [Z] y de admitancias [Y] resultantes de realizar el cálculo de tensiones y corrientes en la frecuencia de operación considerando circuitos abiertos o cortocircuitos en sus terminales. Dicho resultado es bastante complejo ya que, al trabajar en la banda de microondas y utilizar frecuencias elevadas, la longitud de onda, λ, se hace más pequeña, lo que implica que las leyes de Kirchoff dejen de ser aplicables. Los parámetros de scattering (S) [9] caracterizan cualquier red, ya que se basan en el modelo de ondas incidentes, reflejadas y transmitidas dentro de una red de N terminales, cuya definición se basa en la medición de potencia en los terminales de entrada y salida de cada puerto. Para la explicación de los parámetros S, nos centraremos en las redes de dos puertos, en línea con los dispositivos utilizados en este TFG Definición En una red de dos puertos como la que se muestra en la Figura 2, considerando la relación entre las ondas incidentes, a i, y reflejadas, b i, en los puertos de entrada y salida, se puede modelar de forma matemática el comportamiento de la red a través de la matriz de parámetros S, de acuerdo con (2.1) [9]. 6 Capítulo 2: Conceptos teóricos Figura 2. Red de dos puertos. [ b 1 b 2 ] = [ S 11 S 12 S 21 S 22 ] [ a 1 a 2 ] (2.1) En general, para calcular cada parámetro Sij se carga cada acceso con su impedancia característica respectiva, excepto el i-ésimo al que se conectará un generador que produzca la onda incidente ai, haciendo así que el resto de ondas incidentes sean cero, resultando de acuerdo a (2.1) el cuadro resumen que se muestra en la Tabla 3. Tabla 3. Definición de los parámetros S para una red de dos puertas [9]. Parámetro Nombre Expresión S11 Reflexión a la entrada S 11 = b 1 a 1 a 2 =0 S12 Transmisión o ganancia inversa S 12 = b 1 a 2 a 1 =0 S21 Transmisión o ganancia directa S 21 = b 2 a 1 a 2 =0 S22 Reflexión a la salida S 22 = b 2 a 2 a 1 =0 Al expresar estos parámetros en db, se puede definir dos conceptos útiles como son las pérdidas de retorno (RL) e inserción (IL): RL(dB) = 20 log(s ii ) (2.2) IL(dB) = 20 log(s ij ) (2.3) Si se generalizan las definiciones anteriores para una red de N accesos, queda una matriz S como la dada en (2.4) [10]. [ S 11 S 1N S N1 S NN ] (2.4) 7 Capítulo 2: Conceptos teóricos Propiedades En función del tipo de red y de su matriz de parámetros de scattering se puede hablar de: Red pasiva: red compuesta por dispositivos pasivos. En este tipo de redes se cumple que Sij 2 1. Red recíproca: se trata de aquella red que se comporta de igual manera cuando se le aplica una tensión a la entrada que cuando
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