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SISTEMA DE DETECCIÓN PRESENCIAL DE UN COCHE EN UN APARCAMIENTO
A Degree Thesis
Submitted to the Faculty of the
Escola Tècnica d'Enginyeria de Telecomunicació de
Barcelona
Universitat Politècnica de Catalunya
by
Ismael López
In partial fulfilment
of the requirements for the degree in
(Sistemes de Telecomunicació) ENGINEERING
Advisor: Sebastián Blanch
Barcelona, July 2015
1
Abstract
The objective of this project is to design and build a presence detection sensor for a vehicle in a parking lot using RF technology.
To achieve this goal we have investigated two types of detection: the swept frequency detection and amplitude detection.
We have made various designs using two types of antennas, microstrip antennas and waveguides, in which several techniques have been applied to disengage the S12 parameter.
The frequency bands in which we have investigated are from 61 to 61.5 GHz, 24 GHz to 24.25 GHz and 10.5 to 10.6 GHz.
Last, a demonstrator prototype has been carried out at a 10.55GHz frequency to check the proper functioning of the system.
2
Resum
L’objectiu d’aquest projecte es dissenyar i construir un sensor utilitzant la tecnologia RF,
que sigui capaç de detectar la presencia d’un vehicle en un aparcament.
Per a dur a questa tasca s’han investigat dos tipus de detecció: la detecció per escombrat
frecuencial i la detecció per amplitud.
S’han realitzat diversos dissenys, utilitzant dos tipus d’antenes: les antenes microstrip i les
guies d’ona, en els quals s’han aplicat tècniques per a desacoblar el paràmetre S12.
Les bandes de freqüències a les que s’ha investigat son de 61 a 61.5 GHz, 24 a 24.25
GHz i 10.5 a 10.6 GHz .
Finalment s’ha dut a terme un prototip demostrador a la freqüència de 10.55GHz per a
comprovar el correcte funcionament del sistema.
3
Resumen
El objetivo de este proyecto es diseñar y construir un sensor de detección presencial de
un vehículo en un aparcamiento utilizando tecnología de RF.
Para ello se ha investigado dos tipos de detección: la detección por barrido de frecuencia
y la detección por amplitud.
Se han realizado diversos diseños, utilizando dos tipos de antenas: antenas microstrip y
guías de ondas, en los cuales se han aplicado técnicas para desacoplar el parámetro S12.
Las bandas de frecuencias en las que se ha investigado son de 61 a 61.5 GHz, 24 a
24.25 GHz y 10.5 a 10.6 GHz.
Finalmente se ha realizado un prototipo demostrador a la frecuencia de 10.55GHz para
comprobar el correcto funcionamiento del sistema.
4
Dedicación: Este proyecto se lo dedico a mis padres, que siempre han estado a mi lado
apoyándome y a todos mis compañeros del piso que me han tenido que aguantar durante
todos estos años.
5
Agradecimientos
Agradezco principalmente a Sebastián por las orientaciones e ideas, sin ellas jamás
hubiera logrado realizar este proyecto.
A mis padres, por animarme y por estar a mi lado durante todo este tiempo.
También agradezco a mis compañeros por tener mucha paciencia conmigo y por estar
siempre dispuesto ayudarme.
Finalmente agradezco a todas aquellas personas que han hecho posible que hoy este aquí
finalizando esta etapa y con ganas de empezar una nueva.
6
Historial de revisiones y aprobación
Revisión Fecha Estado
0 01/06/2015 Creación del documento
1 16/06/2015 Revisión del documento
2 22/06/2015 Revisión del documento
3 1/07/2015 Revisión del documento
4 7/07/2015 Revisión del documento
DOCUMENTO DE LA LISTA DE DISTRIBUCIÓN
Nombre e-mail
Ismael López Serna [email protected]
Sebastián Blanch Boris [email protected]
Escrito por: Revisado y aprobado por:
Fecha 01/06/2015 Fecha 07/07/2015
Nombre Ismael López Nombre Sebastián Blanch
Categoría Autor del proyecto Categoría Supervisor del proyecto
7
Tabla de contenidos
Abstract ............................................................................................................................ 1
Resum .............................................................................................................................. 2
Resumen .......................................................................................................................... 3
Agradecimientos ............................................................................................................... 5
Historial de revisiones y aprobación ................................................................................. 6
Tabla de contenidos ......................................................................................................... 7
Lista de Figuras ................................................................................................................ 9
Lista de Tablas: .............................................................................................................. 12
1. Introducción ............................................................................................................. 13
1.1. Requisitos y especificaciones ........................................................................... 13
1.2. Organización de la memoria ............................................................................. 13
1.3. Descripción de las desviaciones e incidencias ................................................. 14
2. Detección de objetos mediante RF .......................................................................... 15
2.1. Planteamiento del experimento ........................................................................ 15
2.2. Tipos de radares .............................................................................................. 16
2.2.1. Radar de onda pulsada ............................................................................. 16
2.2.2. Radar de onda continua con modulación (CW-FM, CW-PM) ..................... 17
2.2.3. Radar de onda continua (CW) ................................................................... 19
2.3. Características de la señal ............................................................................... 20
2.3.1. Ecuación del radar..................................................................................... 20
3. Elección de la banda de frecuencias ....................................................................... 22
4. Elección del tipo de antena ...................................................................................... 23
4.1.1. Antena tipo parche o microstrip ................................................................. 23
4.1.2. Antena de bocina ...................................................................................... 23
4.1.2.1. Bocina piramidal ...................................................................................... 24
4.1.2.2. Bocina cónica .......................................................................................... 24
4.1.2.3. Bocina de lente dieléctrica ....................................................................... 24
4.1.3. Justificación de la elección ........................................................................ 24
4.1.3.1. Características antena microstrip ............................................................ 24
4.1.3.2. Características antena de guía de onda .................................................. 25
4.2. Líneas Microstrip .............................................................................................. 26
4.2.1. Calculo de la impedancia de la línea ......................................................... 26
8
5. Medidas preliminares a 61.25GHz ........................................................................... 28
5.1. Realización de las medidas .............................................................................. 28
5.1.1. Simulación con Matlab .............................................................................. 28
5.1.1.1. Visualización de las gráficas con Matlab ................................................. 29
6. Construcción y simulaciones ................................................................................... 33
6.1. Simulación en la banda de 61.5GHz ................................................................ 33
6.2. Simulaciones en la banda de 24.125GHz ......................................................... 36
6.2.1. Agrupaciones con polarización lineal ......................................................... 37
6.2.2. Agrupaciones con polarización circular...................................................... 38
6.2.3. Agrupación 2X2 con polarización lineal ..................................................... 40
6.2.4. Creación del Gerber .................................................................................. 41
6.2.5. Resultado final de la antena a 24.125 GHz ............................................... 42
6.3. Simulaciones en la banda de 10.55Ghz ........................................................... 43
6.3.1. Agrupaciones con polarización lineal ......................................................... 43
6.3.2. Agrupaciones con polarización circular...................................................... 44
6.3.3. Resultado final de la antena a 10.55GHz .................................................. 47
6.4. Medidas experimentales a 10.55GHz ............................................................... 49
7. Prototipo demostrador a 10.55GHz ......................................................................... 51
8. Resumen y conclusiones ......................................................................................... 52
8.1. Detección por barrido frecuencial ..................................................................... 52
8.2. Detección por amplitud ..................................................................................... 52
8.3. Conclusiones generales ................................................................................... 53
9. Presupuesto ............................................................................................................ 54
Bibliografía ..................................................................................................................... 56
Anexo 1. Estudio de las alturas ...................................................................................... 58
Anexo 2. Programas Matlab ........................................................................................... 60
Anexo 3. Simulaciones ADS ........................................................................................... 69
Anexo 4. Datasheets de Rogers Corporation ................................................................. 87
Anexo 5. Diagrama de Gantt .......................................................................................... 92
Glosario .......................................................................................................................... 93
9
Lista de Figuras
Figura 2.1 Detalle del sistema de detección de un vehículo............................................ 15
Figura 2.2 Antena con obstáculo .................................................................................... 15
Figura 2.3 Antena sin obstáculo ..................................................................................... 15
Figura 2.4 Simulación de la fft señal azul sin blanco y señal verde con blanco. ............. 18
Figura 2.5 Simulación fft y aplicando haming. ................................................................ 18
Figura 2.6 Intento de detección con BW inferior ............................................................. 19
Figura 2.7 Intento de detección aplicando Haming ......................................................... 19
Figura 2.8 Antena con plano infinito a una distancia ....................................................... 21
Figura 2.9 Antenas equivalentes aplicando teoría de imágenes. .................................... 21
Figura 4.1Agrupación de 4 elementos de antenas microstrip .......................................... 23
Figura 4.2 Bocina piramidal ............................................................................................ 24
Figura 4.3 Bocina cónica ................................................................................................ 24
Figura 4.4 Bocina con lente dieléctrica ........................................................................... 24
Figura 4.5 Detalle de los parámetros de una línea Microstrip ......................................... 26
Figura 5.1 Antena Tx y Rx de guías de ondas ................................................................ 28
Figura 5.2 Captura de datos con el analizador de redes ................................................. 28
Figura 5.3 Forma de las señales obtenidas .................................................................... 29
Figura 5.4 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con
obstáculo a 6cm. ............................................................................................................ 29
Figura 5.5 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con
obstáculo a 6cm aplicando filtro de haming .................................................................... 29
Figura 5.6 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con
obstáculo a 14cm aplicando filtro de haming .................................................................. 30
Figura 5.7 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con
obstáculo a 22cm aplicando filtro de haming .................................................................. 30
Figura 5.8 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con
obstáculo a 14cm aplicando filtro de hamming ............................................................... 30
Figura 5.9 Detalle del segundo armónico ........................... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 5.10 Resultado de la Fft de las señales interpoladas para las diferentes alturas.
.......................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 5.11 Forma de las señales obtenidas con BW=0.5GHz¡Error! Marcador no
definido.
Figura 5.12 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con
obstáculo a 14cm con BW=0.5GHz ................................................................................ 31
Figura 6.1 Imagen de la guía de ondas con la bocina ..................................................... 33
10
Figura 6.2 Montaje experimento altura de 14cm ............................................................. 33
Figura 6.3 Potencia de las señales capturadas ............................................................... 33
Figura 6.4 Detección con el obstáculo a 14cm................................................................ 34
Figura 6.5 Detección con el obstáculo a 8cm ................................................................. 34
Figura 6.6 Detección con el obstáculo a 30cm................................................................ 34
Figura 6.7 Detección con el obstáculo a 24 cm ............................................................... 34
Figura 6.8 Detección por amplitud .................................................................................. 35
Figura 6.9 Estudio de los parámetros S12 variando la distancia en el eje de las X ......... 36
Figura 6.10 Estudio de los parámetros S12 variando la distancia en el eje de las Y ....... 36
Figura 6.11 Medidas antena polarización lineal f=24.125GHz ........................................ 37
Figura 6.13 Simulación ADS parámetro de la línea ........................................................ 37
Figura 6.12 Simulación ADS parámetro S11 antena polarización lineal .......................... 37
Figura 6.14 Medidas antena polarización circular a 24.125GHz ..................................... 38
Figura 6.15 Parámetro S11 dB ....................................................................................... 38
Figura 6.16 Zin de la antena ........................................................................................... 38
Figura 6.17 Gráfica con el resumen de los valores del parámetro S12 según la polarización
y el número de elementos .............................................................................................. 39
Figura 6.18 Diseño en ADS de la agrupación 2x2 de polarización lineal a 24.125GHz ... 40
Figura 6.20 Simulación del parámetro S12 ..................................................................... 40
Figura 6.19 Simulación del parámetro S11 ..................................................................... 40
Figura 6.21 Simulación de la impedancia S11 ................................................................ 40
Figura 6.22 Simulación de la impedancia S12 ................................................................ 40
Figura 6.23 Pasos para la creación de Gerber................................................................ 41
Figura 6.24 Vista del Gerber agrupación 2x2 polarización lineal ..................................... 41
Figura 6.25 Medidas de la antena a 24.125Ghz ............................................................. 42
Figura 6.26 Medidas antena lineal .................................................................................. 43
Figura 6.27 S11 (dB) antena polarización lineal .............................................................. 43
Figura 6.28 Zin antena de polarización lineal .................................................................. 43
Figura 6.29 Medidas antena polarización circular ........................................................... 44
Figura 6.30 S11 (dB) antena polarización circular .......................................................... 44
Figura 6.31 Zin antena polarización circular ................................................................... 44
Figura 6.32 Resumen de los resultados.......................................................................... 45
Figura 6.33 Agrupación 2x2 polarización circular ............................................................ 46
Figura 6.34 S11 (dB) antena polarización circular .......................................................... 46
11
Figura 6.35 S21 (dB) antena polarización circular .......................................................... 46
Figura 6.37 Impedancia de la línea ................................................................................. 46
Figura 6.36 Zin antena polarización circular ................................................................... 46
Figura 6.38 Medidas antena con polarización circular .................................................... 47
Figura 6.39 Separación entren antenas y entre elementos ............................................. 47
Figura 6.40 Foto antena real a 10.55GHz ....................................................................... 48
Figura 6.41 Gerber de la antena ..................................................................................... 48
Figura 6.42 Representación de los niveles de señal ....................................................... 49
Figura 6.43 Diferencia entre señal reflejada y la acoplada .............................................. 49
Figura 6.44 Medidas de las señales ............................................................................... 50
Figura 6.45 Diferencia entre señal experimental y las teóricas ....................................... 50
Figura 7.1 Sistema de recepción .................................................................................... 51
Figura 7.2 Sistema de transmisión .................................................................................. 51
12
Lista de Tablas:
Tabla 2.1 Tiempo máximo de duración del pulso por categoría ...................................... 16
Tabla 4.1 Ejemplo del cálculo de la anchura para una impedancia determinada. ........... 27
Tabla 6.1 Resumen de las simulaciones a 24.125GHz ................................................... 39
Tabla 6.2 Parámetros del dieléctrico utilizado ................................................................. 42
Tabla 6.3 Tabla comparativa de simulaciones ................................................................ 45
Tabla 6.4 Parámetros del dieléctrico ............................................................................... 47
Tabla 9.1 Detalle de los precios de personal .................................................................. 54
Tabla 9.2 Detalle de los precios de instrumental ............................................................. 54
Tabla 9.3 Detalle de los precios antena microstrip .......................................................... 54
Tabla 9.4 Detalle de los costes guía de ondas ............................................................... 55
Tabla 9.5 Detalle de costes del sofware utilizado ........................................................... 55
Tabla 9.6 Detalle de los costes totales ........................................................................... 55
Tabla 9.7 Alturas de los turismos .................................................................................... 58
Tabla 9.8 Alturas de los SUV .......................................................................................... 58
Tabla 9.9 Alturas de las furgonetas ................................................................................ 58
Tabla 9.10 Alturas de los todoterrenos ........................................................................... 59
Tabla 9.11 Altura media por categoría ............................................................................ 59
Tabla 9.12 Diagrama de Gantt ........................................................................................ 92
13
1. Introducción
La motivación de este proyecto se encuentra en la necesidad de investigar nuevas
técnicas de detección, en concreto para aplicarlas en la detección de un coche, en un
aparcamiento.
Actualmente existen diversas técnicas las cuales utilizan: ultrasonidos, sensores
magnéticos, foto detectores, sensores de presión, etc. Todos ellos cumplen esta misión,
con sus ventajas e inconvenientes.
El objetivo de este proyecto es diseñar e implementar un sistema para detectar la
presencia de un coche en un aparcamiento utilizando la tecnología RF.
Se quiere explorar las posibilidades que aporta la tecnología RF de cara a realizar esta
implementación, ya que se espera poder realizar sensores que consuman muy poco y que
sean de tamaño reducido.
Si bien los objetivos iniciales del proyecto fueron estos, se debe decir que la dinámica del
mismo llevó al análisis de un gran número de estructuras para la detección, con el fin de
escoger posteriormente la que mejores prestaciones presentase.
1.1. Requisitos y especificaciones
En este trabajo se pretende diseñar un sistema que sea lo más simple posible, con una
tecnología económica y que permita detectar la presencia de un vehículo. Solamente se
quiere saber si hay o no un vehículo encima.
1.2. Organización de la memoria
La memoria se estructura de modo que se presenta cronológicamente los pasos seguidos
para la implementación de las antenas. De este modo el bloque principal del proyecto son
los capítulos: 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8.
En el capítulo 2 se describe los diferentes tipos de radares según la forma de onda y los
métodos de detección aplicados a nuestro dispositivo con sus limitaciones.
En el capítulo 3 se realiza una búsqueda de las bandas libres de frecuencias en las que
se puede transmitir, teniendo en cuenta las restricciones de los métodos de detección.
En el capítulo 4 se eligen los tipos de antena candidatas, según sus características y según
la banda de frecuencias en la que se trabaja.
El capítulo 5 recoge el primer experimento realizado con guías de ondas a 61.250GHz, y
se ve la necesidad de desacoplar la antena Rx de la Tx.
En el capítulo 6, es importante destacar el resumen de los diseños realizados para las tres
bandas de frecuencias utilizando técnicas de polarización lineal y circular, y aplicando
agrupaciones con el fin de disminuir el parámetro S12.
En el capítulo 7 se lleva a cabo la construcción de un prototipo demostrador.
Finalmente, en el capítulo 8 se muestran las conclusiones a modo de resumen de las
acciones que se han realizado en el proyecto.
En los anexos se ha puesto información que nos puede ayudar a entender y autocompletar
el trabajo realizado en el proyecto.
14
1.3. Descripción de las desviaciones e incidencias
Se ha considerado oportuno bajar a la banda de frecuencias de 10.5 a 10.6GHz, esto ha
provocado un cierto desplazamiento en los tiempos que se habían previstos en el “Critical
Review”, ya que se han añadido dos bloques de trabajo más. Diseño y simulaciones en la
banda de 10.5 hasta 10.6GHz, y el otro Construcción y pruebas con antena de 10.55GHz.
Por falta de tiempo, no se ha realizado correctamente el apartado del prototipo
demostrador, debido a que los diodos para detectar la señal no eran muy sensibles y se
tendrían que haber pedido otros.
El diagrama de Gantt con las actualizaciones se puede observar en el Anexo 5.
15
2. Detección de objetos mediante RF
2.1. Planteamiento del experimento
El objetivo de este proyecto trata de explorar las diferentes posibilidades que puede
aportar la tecnología RF en la detección presencial de un coche en un aparcamiento.
Para realizar este experimento se necesita una antena transmisora (Tx) y otra receptora
(Rx). Estas dos antenas estarán incrustadas en el asfalto de un aparcamiento y estarán
sometidas a dos casos posibles, que este o no este el coche encima.
A continuación se detallarán las señales que llegan al sistema de detección para los dos
casos posibles.
Cuando la antena Tx transmite una señal, en caso de tener un vehículo encima; la antena
Rx recibirá la señal que proviene de la reflexión con el vehículo más la señal del acoplo
entre antenas y más la señal que proviene de las interferencias. Ver figura 2.2.
Figura 2.1 Detalle del sistema de detección de un vehículo
Figura 2.3 Antena sin obstáculo Figura 2.2 Antena con obstáculo
16
En caso de no tener un vehículo encima, la antena Rx seguirá recibiendo la señal que
proviene del acoplo entre antenas más la señal interferente. Ver figura 2.3.
Para poder realizar la detección correctamente, se deberá prestar una especial atención
al acoplo entre antenas y a la señal interferente, ya que dependiendo del orden de
magnitud, en comparación a la señal reflejada, hará que se puede detectar o no.
2.2. Tipos de radares
El principio de detección que utilizan los sensores se basa en el funcionamiento de un
radar, pero muy sencillo, ya que solo se quiere detectar la presencia, debido a esto se
realizará una breve descripción.
El radar proviene del termino en inglés (radio detection and ranging) que significa
“detección y medición de las distancias por radio”. Este tipo de sistema se utiliza para
medir: distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o móviles.
Existen muchas maneras de clasificar los radares, a continuación se detallará según la
forma de onda y se intentará aplicar estos radares a nuestro experimento.
2.2.1. Radar de onda pulsada
Es el más utilizado. Transmite periódicamente un pulso que puede estar modulado o no.
Para poder aplicar este tipo de radar se va a calcular el tiempo del pulso.
La duración del pulso ha de ser inferior al tiempo de ida y vuelta para evitar el solapamiento
de las señales.
Para calcular el tiempo se utilizará la siguiente formula:
𝑡 =∆𝑥
𝑣
Donde:
t es el tiempo que tarda en ir y volver.
v es la velocidad de propagación.
∆𝒙 es el espacio que recorre.
La distancia al blanco viene dada por el coche que se pone encima y la velocidad es la
velocidad de la luz.
En el Anexo 1 se ha calculado la media de las alturas por categoría de los vehículos.
El cálculo de los tiempos por categoría se muestra en la tabla 2.1
Turismo SUV Furgoneta Todoterreno
0.842ns 1.23ns 1.08ns 1.54ns Tabla 2.1 Tiempo máximo de duración del pulso por categoría
17
Como existe una diferencia significativa entre los tiempos de las diferentes categorías, se
va a elegir el tiempo que resulte más restrictivo, en este caso corresponde a la categoría
de turismo, de esta manera si se cumple en este caso se cumplirá en todos.
El tiempo del pulso ha de ser inferior a 0.842ns, con la tecnología que tenemos no se
puede realizar un pulso de tan corta duración, en consecuencia se descartará este tipo de
radar para realizar el experimento.
2.2.2. Radar de onda continua con modulación (CW-FM, CW-PM)
Es muy parecido al de onda continua, con la peculiaridad que se le añade a la señal
modulación de fase o frecuencia, con el objeto de determinar cuándo se transmitió la señal
correspondiente a un eco, es decir, nos permite estimar la distancia.
Normalmente en este tipo de radares se realiza un barrido de frecuencia muy rápido y en
obstáculos que están muy alejados, de tal manera que la señal que llega no es que haya
cambiado solo la fase, sino que lo que cambia también es la frecuencia. Para la detección
del blanco lo que se hace es un batido de una muestra de la señal que se está recibiendo,
con una muestra de la señal que se está transmitiendo en este momento. La diferencia de
frecuencias resultante depende de la rápida variación de frecuencias en un periodo corto
y de la distancia al blanco, debido a estos dos factores los valores de la diferencia de
frecuencias suelen ser del orden de centenares de MHz.
En nuestro caso, realizar de esta manera la detección resulta complicado debido a que las
distancias a las que se está trabajando son muy cortas y esto provoca tener que realizar
barridos de anchos de banda muy grandes y como se verá posteriormente el ancho de
banda será un elemento limitante a la hora de aplicar este sistema.
Se va a intentar realizar un barrido lento, el cual consiste en transmitir una onda continua
que se le irá variando la frecuencia de manera progresiva.
Este método aplicado a nuestro experimento lo llamaremos detección por barrido de
frecuencia.
La fase de la señal recibida cambiará dependiendo del camino que haya recorrido. Contra
más distancia haya, más variará la fase. Esta información es la que nos ayudará a
discriminar entre los diferentes blancos que se encuentren alejados distintamente.
Como se ha explicado al principio de este capítulo a la antena Rx le llegan tres señales, la
señal de las interferencias, que en comparación a las otras se puede considerar superflua,
la señal acoplada que ha recorrido la separación entre antenas y la señal reflejada que
ha ido y vuelto al blanco. Al ser la separación diferente se podrá distinguir entre las dos
señales.
Sin embargo, debido a que no se dispone de todo el ancho de banda, se deberá tener en
cuenta cuales son las restricciones del sistema para poder diferenciar las dos señales.
Existe una relación recíproca entre el ancho de banda y la distancia al blanco. Contra más
cercano este el blanco más ancho de banda se necesita.
En este caso la distancia al blanco viene predeterminada por la altura del vehículo que se
coloca encima.
18
Como se ha visto en el apartado anterior y siguiendo los mismos criterios se va a escoger
el caso más restrictivo de las medidas para calcular el tiempo que tarda en ir y volver la
señal.
El resultado de este cálculo está en la tabla 2.1.
El pulso emitido ha de ser inferior a 0.842𝑛𝑠, lo que es equivalente a decir que se necesita
un ancho de banda de 1.2GHz.
Para ver la coherencia del resultado se va a realizar dos simulaciones teóricas y se
comprobará que es lo que pasa cuando se tiene el ancho de banda necesario o no.
La señal utilizada para generar estas simulaciones es de la forma:
𝑋 = 𝐴1 ∗ 𝑒−𝑗𝑘𝑟1 + 𝐴2 ∗ 𝑒−𝑗𝑘𝑟2
Siendo:
A1 la amplitud de la señal.
R1 La distancia al obstáculo
𝐾 =2∗𝜋∗𝑓
𝑐
SIMULACIÓN TEÓRICA
Detección mediante barrido de frecuencia con ancho de banda 1.5Ghz y amplitudes
iguales entre la señal reflejada y la acoplada. Distancia al blanco: 0.125m.
Para realizar estas simulaciones se ha realizado la fft de la señal recibida.
La figura 2.4 permite distinguir de una manera más clara y precisa la ubicación del blanco
alrededor de los 0.12 m. También se puede observar el pico acoplo entre antenas sobre
los 0m. Esta gráfica se ha generado sin aplicar ningún filtro.
Figura 2.4 Simulación de la fft señal azul sin blanco y señal verde con blanco.
Figura 2.5 Simulación fft y aplicando haming.
19
En la figura 2.5 se ha aplicado el filtro de haming con la intención de bajar la contribución
de los glóbulos secundarios ya que estos nos pueden inducir a una falsa detección. En
este caso, debido a que el obstáculo está muy cerca y que al aplicar la ventana de Haming
el pulso se ensancha y pierde resolución, no se puede detectar el obstáculo con claridad.
Detección mediante barrido de frecuencia con ancho de banda inferior al calculado
anteriormente.
Barrido de frequencia de 0.5GHz y amplitudes iguales entre la señal reflejada y la acoplada,
distancia al blanco 0.125m.
Para realizar estas simulaciones se ha realizado la fft de la señal recibida.
Con el ancho de banda reducido no se distingue el pico proveniente de la reflexión del
blanco del acoplo entre antenas en ninguno de los dos casos.
En las simulaciones que se han realizado se ha podido comprobar la importancia de tener
un ancho de banda elevado, debido a la proximidad del blanco. En caso de poder alejar
el blanco, el ancho de banda necesario mínimo, se verá reducido.
Por otro lado se ha comprobado el caso en que la amplitud de la señal acoplada es más
grande que la reflejada y el caso contrario en el que la señal reflejada es más grande que
la acoplada. El resultado de estas simulaciones ha sido que se necesita un mayor ancho
de banda en ambos casos con respecto a la simulación inicial en que las amplitudes de la
señal acoplada y reflejada son iguales.
2.2.3. Radar de onda continua (CW)
Tienen la peculiaridad de transmitir ininterrumpidamente.
Los sistemas de onda continua se aplican para detectar objetos que están en movimiento,
debido a este movimiento la señal sufre una variación de frecuencia, este fenómeno se
denomina “frecuencia doppler”. Para detectar un blanco la antena Rx solo se tiene que
mirar si ha habido un desplazamiento en la frecuencia de la señal.
En nuestro caso el blanco es estático, debido a que es la altura del vehículo, por lo tanto
se tendrá que cambiar un poco la detección y en vez de mirar la variación de la frecuencia,
se intentará medir un cambio en la amplitud. Para ello se medirá el nivel de señal que
Figura 2.6 Intento de detección con BW inferior Figura 2.7 Intento de detección aplicando Haming
20
recibe la antena Rx, a este tipo de detección nos referiremos con el nombre de detección
por amplitud.
El problema de este tipo de detección es que es difícil de determinar si la señal recibida
viene dada por la señal acoplada o por la señal que se ha reflejado en el blanco.
Para poder determinar la presencia del blanco se deberá cumplir que la señal estática,
que es la suma de la señal acoplada más las interferencias, este por debajo de un umbral
respecto a la señal que proviene de la detección del blanco. Solo si se cumple que el
umbral es más grande de 6dB se podrá detectar el blanco.
2.3. Características de la señal
La reflexión del radar varía en función de la longitud de onda y del blanco. Para que todo
funcione de una manera correcta y que el obstáculo se comporte como un espejo cuando
refleja la luz, se debe cumplir que la longitud de onda sea mucho menor que el tamaño del
objeto.
2.3.1. Ecuación del radar
En un radar la relación entre la potencia recibida y la potencia transmitida viene dada por
la siguiente ecuación:
𝑃𝑅
𝑃𝑇=
𝐺𝑡 ∗ 𝐺𝑅 ∗ 𝜆2
(4𝜋)3 ∗ 𝑅𝑡2
∗ 𝑅𝑟2
Donde:
𝑃𝑟 es la potencia de recepción.
𝑃𝑡 es la potencia de transmisión.
𝐺𝑡 es la ganancia de la antena transmisora.
𝑅𝑡 es la distancia de la antena transmisora hasta el objetivo.
𝑅𝑅 es la distancia del objetivo hasta la antena receptora.
En general la distancia entre el radar y el blanco es grande, pero en el caso particular que
se está tratando esta distancia es pequeña, ya que no se puede considerar del todo un
radar, sino más bien un sistema de detección, en consecuencia no se puede aplicar la
fórmula del apartado anterior para calcular la relación de potencias y se calculará de la
siguiente manera.
21
Considerando una antena que está transmitiendo y el obstáculo está muy cercano, a
efectos de la antena, este obstáculo se comporta como si fuese un plano de masa infinito.
A su vez, aplicando teoría de imágenes a esta antena, se puede considerar que se tiene
dos antenas separadas 2R y de esta manera se simplifican los cálculos.
Para calcular la relación entre la potencia transmitida y la potencia recibida se aplica la
siguiente formula:
𝑃𝑟
𝑃𝑡=
𝐷𝑡 · 𝐴𝑒𝑓 · 𝑅
4 · 𝜋 · 𝑅2= 𝐷𝑡 · 𝐷𝑟 · (
𝜆
4 · 𝜋 · 𝑅)
2
El resultado en dB de la formula anterior es:
𝑃𝑟
𝑃𝑡= 2 𝐷(𝑑𝐵) + 20 log (
𝜆
4 · 𝜋) − 20 log(𝑅)
Figura 2.8 Antena con plano infinito a una distancia
Figura 2.9 Antenas equivalentes aplicando teoría de imágenes.
22
3. Elección de la banda de frecuencias
Como ya se ha comentado, no se puede transmitir en todas las bandas de frecuencias,
por lo tanto nos restringiremos a las bandas libres.
Para la elección de las bandas de frecuencias se ha realizado una búsqueda CNAF 2013
(cuadro nacional de atribuciones de frecuencias).
De todas las bandas en las que es válida la aplicación se debe tener en cuenta la
restricción del barrido de frequencia, en la que se necesita un ancho de banda de alrededor
de 1.2GHz. El espectro radioeléctrico a altas frecuencias alberga mayores anchos de
banda libres.
Finalmente se ha elegido tres bandas de frecuencias.
61 a 61.5 GHz con una PIRE de 100mW
24.05 a 24.25 GHz con una PIRE de 100mW
10.5 a 10.6 GHz con un PIRE de 100mW
En los anchos de banda que se ha escogido en ninguno de los casos se obtiene 1.2GHz,
en el mejor se consigue 0.5Ghz en la banda de (61 a 61.5GHz). En consecuencia se tendrá
que realizar una comprobación práctica para verificar el correcto funcionamiento de la
detección por barrido de frecuencia.
23
4. Elección del tipo de antena
Las especificaciones que debe de cumplir la antena son:
Tamaño reducido, compacta, resistente y fácil de instalar.
Debe transmitir en la banda de frecuencias que tenemos asignada y no ha de
interferir a las bandas adyacentes.
Eficiente energéticamente.
Ha de ser capaz de distinguir el vehículo cuando este encima.
Costes reducidos.
Después de realizar un estudio de las diferentes antenas, se han obtenido dos antenas
candidatas para realizar el experimento, la antena tipo parche y la antena de guía de ondas.
A continuación se realizará una breve descripción.
4.1.1. Antena tipo parche o microstrip
Las antenas Microstrip son una extensión de las líneas de
transmisión Microstrip.
Este tipo de antenas ha ido en aumento debido a que tiene
una serie de cualidades importantes.
Se pueden hacer muy pequeñas y livianas, son fáciles de
integrar tanto en superficies planas como en no planas. Son
sencillas, fáciles de producir en masa y debido a esta
peculiaridad los costes suelen ser muy reducidos. Son fáciles
de adaptar con circuitos versátiles de microondas, son
versátiles en términos de polarización, impedancia y
frecuencia de resonancia. Se puede adaptar a más de una
frecuencia, esto hace que sea ideal su implementación en
móviles u otros aparatos que puedan necesitar trabajar a más de una frecuencia sin la
necesidad de utilizar más de una antena.
Por otra parte también hay que destacar las partes negativas de esta tecnología.
Baja potencia de radiación, ya que los materiales no soportan altos niveles de potencia,
tiene una baja eficiencia y el ancho de banda es muy estrecho. También se ven afectadas
por las pérdidas y les influye mucho el factor térmico.
4.1.2. Antena de bocina
Es una antena de apertura que recibe el nombre de bocina, por su aspecto.
Las antenas de bocina se pueden clasificar en tres grupos:
Bocina piramidal
Bocina cónica
Bocina con lentes dieléctricas
Figura 4.1 Agrupación de 4 elementos de antenas microstrip
24
4.1.2.1. Bocina piramidal
Es un tipo de bocina, que en el extremo tiene una apertura
rectangular. Como características a destacar es que se usan en
sistemas de polarización lineal.
La ganancia de esta antena se puede calcular directamente con
las dimensiones físicas.
4.1.2.2. Bocina cónica
Las bocinas cónicas normalmente se utilizan en antenas
satelitales, las cuales necesitan una polarización circular, pero
también pueden tener una polarización lineal.
Dentro de este grupo se puede hacer otra clasificación según el
modo de propagación:
Las de modo dominante, se propaga en el TE11.
Las de multimodo, se propagan en el TE11 y TM11.
Las corrugadas o hibridas, se propagan con el HE11, con el que consigue un
ancho de haz amplio y simétrico.
4.1.2.3. Bocina de lente dieléctrica
La definición de lente dieléctrica es: Cualquier objeto que nos
sirva para transformar una onda esférica en una onda plana
modificando su amplitud y fase. Este tipo de cambio nos hace
ganar directividad en la radiación aumentando la ganancia. Si
ponemos en la boca de una antena de tipo bocina la lente
dieléctrica conseguimos la bocina con lente dieléctrica.
4.1.3. Justificación de la elección
Una vez visto un pequeño resumen de los dos tipos de antenas que se van a utilizar
pasamos a destacar las características que han hecho que nos decantáramos por ellos.
En la elección del ancho de banda, se han elegido tres bandas que van de los 10GHz
hasta los 61Ghz. Esto ha provocado que según en qué banda se esté trabajando sea más
conveniente utilizar un tipo u otro de antena.
Las antenas microstrip funcionan correctamente a bajas frecuencias, considerando bajas
de (10 a 25) GHz. Para frecuencias más altas hay problemas a la hora de fabricarlas
porque las medidas que salen son demasiado pequeñas. Las antenas de guías de ondas
no tiene esta limitación más bien al contrario contra más alta sea la frecuencia mejor ya
que suelen ser antenas bastante voluminosas y trabajando en el rango de frecuencias de
(30 a 61) GHz salen unos valores aceptables.
4.1.3.1. Características antena microstrip
Su diseño es compacto, las dimensiones a las frecuencias a las que trabaja son bastante
pequeñas, lo cual cumple la primera especificación.
Figura 4.2 Bocina piramidal
Figura 4.3 Bocina cónica
Figura 4.4 Bocina con lente dieléctrica
25
Una de las desventajas de la antena microstrip que juega a favor, es el ancho de banda
que es estrecho, lo que hace que no haya interferencias con los usuarios que están en
bandas próximas.
La eficiencia energética no es el fuerte de la antena, pero con un buen diseño se puede
llegar a valores elevados.
Otra peculiaridad a favor es la facilidad de construcción y su versatilidad a la hora de hacer
diseños, permite realizar polarización lineal y circular y adaptarlas a las frecuencias de
trabajo.
Otra característica muy favorable es que permite realizar agrupaciones de antenas.
Por último y no menos importante los bajos costes de fabricación.
4.1.3.2. Características antena de guía de onda
El tamaño de la antena es reducido para el rango de frecuencias superiores a 30GHz.
Es una antena eficiente energéticamente.
Se puede adaptar a la banda de frecuencias de trabajo.
Los costes son reducidos y existe soluciones electrónicas que son muy baratas cuando se
construyen directamente sobre la guía. De esta manera hacer un transmisor a base de un
diodo gunn que se meta dentro de una guía y que este polariza no cuesta mucho.
Permite realizar polarización lineal y circular.
26
4.2. Líneas Microstrip
Antes de pasar a diseñar la antena, se va a explicar las características principales de las
líneas microstrip y cómo se calcula la impedancia de una línea.
Las líneas microstrip son muy utilizadas debido a que su fabricación es sencilla, son
pequeñas y de bajo coste.
En este proyecto al trabajar a altas frecuencias provoca que las longitudes de ondas sean
reducidas. Otro aspecto muy positivo es que se puede conseguir cualquier impedancia 𝑍0,
dentro de unos límites. Por último hay que destacar la facilidad que da para acceder desde
coaxial y las bajas perdidas que ocasiona.
No todos los aspectos son positivos, también se han de destacar sus aspectos negativos.
Esta tecnología, no permite montar componentes en paralelo, ya que es una estructura
abierta, tiene perdidas por radiación e interferencias que causa a otros circuitos y a su vez
a sí misma. Finalmente, se ha de destacar que padece una leve dispersión y su modo de
transmisión es inhomogénea (el modo de propagación es QUASI-TEM).
En la figura 5.5 se observa la vista de una línea microstrip y sus principales longitudes.
4.2.1. Calculo de la impedancia de la línea
Como se ha visto una de las características de las líneas Microstrip es que se puede variar
la impedancia de la línea cambiando la anchura (w) y que no depende de la longitud de
ella misma.
Para calcular esta impedancia se utilizan las fórmulas de síntesis. Primero se fija el valor
de la impedancia 𝑍0 que queremos tener. Además, hay que tener en cuenta la Ɛ𝑟 que
viene estipulada por el dieléctrico que se utilice. Una vez fijados estos parámetros se pasa
a efectuar los cálculos de las variables A y B. Ver la fórmula 1 y 2.
𝐴 =𝑍0
60√
Ɛ𝑟 + 1
2+
Ɛ𝑟 − 1
Ɛ𝑟 + 1(0.23 +
0.11
Ɛ𝑟)
Figura 4.5 Detalle de los parámetros de una línea Microstrip
27
𝐵 =60𝜋2
𝑍0√Ɛ𝑟
Según los valores de A y B, hay dos posibilidades a la hora de calcular la anchura de la
línea que depende del valor de A obtenido.
Si (A > 1.52)
𝑤
ℎ=
8𝑒𝐴
𝑒2∗𝐴 − 2
Si (A ≤ 1.52)
𝑤
ℎ=
2
𝜋(𝐵 − 1 − ln(2𝐵 − 1) +
Ɛ𝑟 − 1
2 ∗ Ɛ𝑟[𝑙𝑛(𝐵 − 1) + 0.39 −
0.61
Ɛ𝑟])
Una vez llegado a este punto se puede obtener la anchura despejando de la formulas la
w.
Para ser un poco más rigoroso se ha de tener en cuenta el espesor de metalización (t), y
sustituir el valor de w por 𝑤𝑒, y a continuación calcular la anchura real.
𝑤
ℎ≤
1
2𝜋 => 𝐵 = 2𝜋𝑤
𝑤
ℎ≥
1
2𝜋 => 𝐵 = ℎ
𝑤 = 𝑤𝑒 − 1.25 𝑡
𝜋(1 + 𝑙𝑛
2𝐵
𝑡)
En la tabla 4.1 se puede observar un ejemplo del cálculo de la anchura (W), para las
impedancias de (50, 70.71 y 100) Ω. El dieléctrico utilizado tiene las siguientes
características Ɛ𝑟 = 3.55, h=0.813mm, t=17µm y la frecuencia de trabajo es de 10.55GHz.
Este cálculo se ha realizado utilizando el programa de Matlab “Anchura línea Microstrip
método de síntesis para 10.55GHz” descrito en el anexo 3.
IMPEDANCIA 𝒁𝟎 (Ω) ANCHURA W (mm)
50 1.780972
70.7106 0.954606
100 0.421771 Tabla 4.1 Ejemplo del cálculo de la anchura para una impedancia determinada.
En las fórmulas de síntesis descritas anteriormente no se tienen en cuenta la frecuencia
de trabajo de la línea, la cual influye en la dispersión. Para tener en cuenta estos valores
se ha utilizado LineCalc, que es una herramienta de ADS. Este programa nos permite,
tener una mejor aproximación al valor real de la anchura.
Otra forma de obtener las anchuras de líneas microstrip para una impedancia Z0 definida,
es utilizando la página web: (http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/ms_line_e.htm),
donde los cálculos ya están introducidos de manera interna.
28
5. Medidas preliminares a 61.25GHz
Este experimento, se ha realizado para comprobar de manera práctica si con el ancho de
banda que nos permite transmitir tenemos suficiente para realizar la detección mediante
el barrido de frecuencia y de esta manera distinguir la señal que nos viene reflejada, de la
señal que se nos acopla directamente. La frecuencia de trabajo de este experimento es
61.25GHz, y la banda de frecuencias que nos permite utilizar va de (61 a 61.5) GHz.
El experimento se ha realizado con guías de onda adecuadas a la frecuencia de trabajo.
También se ha utilizado un analizador de redes, para generar las señales a estas
frecuencias y obtener los resultados del barrido de frecuencia.
5.1. Realización de las medidas
La primera medida que se ha realizado ha sido poniendo las dos antenas, tanto la antena
de Tx, como la de Rx, a la misma altura y mirando hacia arriba sin poner ningún obstáculo
y realizando el barrido.
Los otros casos se han llevado a cabo poniendo una plancha metálica encima de las
antenas a diferentes alturas, simulando la altura de los vehículos. Se realizan medidas a
6, 14, 22, 32cm.
Una vez obtenidos todos los datos de estos barridos, pasamos a realizar las simulaciones
con Matlab.
5.1.1. Simulación con Matlab
En las gráficas se va a representar las diferentes alturas para poder observar el
comportamiento que se tiene según el tipo de vehículo que se ponga encima.
Inicialmente se ha realizado un barrido de 3 GHz en la banda de (60 a 63) GHz para
asegurarnos de detectar correctamente la reflexión.
En el anexo 1 se puede ver el estudio de las diferentes alturas de los vehículos. Para la
detección por barrido de frecuencia nos vamos a ceñir a la altura más restrictiva que es la
de 12.63cm. En nuestro caso prestaremos especial atención a las medidas realizadas a
14cm ya que es la más cercana a 12.63 cm y si el sistema funciona correctamente en este
caso funcionara en los demás.
Figura 5.1 Antena Tx y Rx de guías de ondas Figura 5.2 Captura de datos con el analizador de redes
29
5.1.1.1. Visualización de las gráficas con Matlab
En esta gráfica se pueden apreciar los datos capturados en el experimento del laboratorio,
para cada distancia.
Figura 5.3 Forma de las señales obtenidas
Se han realizado dos simulaciones para cada distancia, una aplicando la ventana de haming y la otra sin aplicarla.
Se ha aplicado el filtro de haming con la intención de bajar la contribución de los glóbulos
secundarios ya que estos nos pueden inducir a una falsa detección. Al aplicar el filtro la
resolución empeora y el glóbulo principal se ensancha, esto provoca que si el obstáculo
está muy cerca, no se pueda detectar ya que queda enmascarado con el glóbulo principal,
como pasa en la figura 5.5.
Figura 5.4 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con obstáculo a 6cm.
Figura 5.5 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con obstáculo a 6cm aplicando filtro de haming
30
En las siguientes simulaciones las alturas de los vehículos, son más altas y se podrá
aplicar la ventana de haming sin que el glóbulo principal nos enmascare el blanco.
En las tres gráficas se puede observar los dos picos de contribución de las dos señales
principales. La señal acoplada es el pico grande que está alrededor de los 0m y la señal
reflejada es el pico más pequeño que está a su derecha, la posición del máximo de esta
señal corresponde a la distancia que hay al blanco. La señal que se desea detectar es la
segunda, ya que proviene de la reflexión, si recibimos una contribución de esta se podrá
asegurar la presencia del coche.
En estas primeras simulaciones se ha podido comprobar que aplicando 3Ghz de ancho de
banda, 6 veces más de lo que se permite transmitir, somos capaces de detectar el blanco
para cualquier altura.
Figura 5.7 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con obstáculo a 22cm aplicando filtro de haming
Figura 5.8 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con obstáculo a 14cm aplicando filtro de hamming
Figura 5.6 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con obstáculo a 14cm aplicando filtro de haming
31
Otra manera de procesar los datos ha sido interpolando las muestras que se han obtenido
del experimento y después procesar dicha información.
Estas gráficas muestran los armónicos de la transformada de Fourier discreta. La gráfica
de la derecha es una ampliación del segundo armónico en la que se puede comprobar que
todas las señales que se han reflejado en un blanco tienen más amplitud que la que no.
Esta podría ser otra manera de detectar, utilizando la amplitud de la señal.
Volviendo al caso anterior, utilizando la detección por barrido de frecuencias y
restringiéndonos al ancho de banda al que nos permiten transmitir, el cual va de 61 a
61.5Ghz se realizan las simulaciones. En estas simulaciones solo se van a mostrar los
datos cuando el obstáculo este a 14cm.
Como ya se había comprobado de manera teórica y ahora de manera práctica con el ancho
de banda que nos permiten transmitir no somos capaces de detectar el blanco.
Figura 5.12 Gráfica de la Fft de la señal sin obstáculo en comparación a la señal con obstáculo a 14cm con BW=0.5GHz
Figura 5.11 Forma de las señales obtenidas con BW=0.5GHz
Figura 5.9 Resultado de la Fft de las señales interpoladas para las diferentes alturas
Figura 5.10 Detalle del segundo armónico.
32
Conclusiones
Se ha podido comprobar que la señal que se nos acopla directamente de una antena a la
otra es mucho mayor que la señal que nos viene reflejada de la plancha metálica y debido
a esto y al poco ancho de banda que nos dejan transmitir y a la corta distancia al blanco
no somos capaces de poder distinguir-la.
Para la detección mediante barrido frecuencial, el ancho de banda es limitante, así como
la distancia al objeto.
En la detección por amplitud, la limitación viene dada por la diferencia de amplitudes entre
la señal sin blanco y la señal con blanco. Para asegurar el correcto funcionamiento de este
método de detección se ha de cumplir un margen entre ambas superior a 6dB.
En ambos métodos de detección la señal que se acopla directamente, nos perjudica ya
que nos interfiere en la detección.
En consecuencia, en los diseños posteriores de las antenas se intentará mitigar la señal
del acoplo, aplicando técnicas para desacoplar la antena transmisora de la receptora y así
conseguir niveles de amplitud entre las dos señales que estén más equiparados y a poder
ser que la señal reflejada sea mucho mayor.
Otra posibilidad es aumentar la directividad en la guía de onda, de esta manera el acoplo
se reducirá y la amplitud de la señal reflejada aumentará.
Teniendo en cuenta estas consideraciones se espera poder detectar la presencia de un
blanco utilizando la técnica de detección por amplitud. También se comprobará si
seguimos estando limitados por el ancho de banda en la detección por barrido frecuencial.
33
6. Construcción y simulaciones
En este apartado se van a describir algunas simulaciones o técnicas que se han aplicado
para detectar correctamente la señal que viene de la reflexión con el blanco.
6.1. Simulación en la banda de 61.5GHz
Para mejorar los resultados de las guías de ondas que se han realizado en el capítulo 5,
se va aumentar la directividad de la antena poniendo una bocina cónica en la guía de onda,
ver figura 6.1, de esta manera el nivel de la señal reflejada aumentará, por otro lado al ser
más directivas el acoplo entre antenas se verá reducido.
Aplicando este sistema se va a comprobar si reduciendo el acoplo entre antenas y
aumentando la directividad se puede detectar el blanco utilizando el método de barrido
de frecuencia.
Para obtener las medidas, del experimento se ha realizado un barrido de 61 a 61.5 GHz.
Se han obtenido los datos de las siguientes medidas, primero sin obstáculo y después con
el obstáculo a 8, 14, 24 y 30 cm de distancia. En la figura 6.2 se puede apreciar una foto
del experimento para una altura de 14cm.
Figura 6.3 Potencia de las señales capturadas
Figura 6.1 Imagen de la guía de ondas con la bocina
Figura 6.2 Montaje experimento altura de 14cm
34
En la figura 6.3 se representan los resultados de las potencias de las señales obtenidas,
se puede apreciar que las señales con obstáculo tienen más potencias que la que no. Esto
nos irá bien cuando se realice la detección por amplitud y por otra parte significa que se
ha conseguido desacoplar las dos antenas.
Para llevar a cabo la detección por barrido frecuencial, primero se va a aplica el filtro de
haming a los datos obtenidos y después se realizará la transformada de Fourier.
En las siguientes gráficas, se muestra el resultado de aplicar el barrido frecuencial para
las diferentes distancias en comparación a la señal que no tiene obstáculo.
Se ha visto que después de aplicar el método de detección por barrido frecuencial, existe una diferencia notable en términos de amplitud, entre la señal con obstáculo y la señal sin obstáculo. Pero el método de detección por barrido frecuencial no consiste en comparar dicha diferencia, de esto ya se encarga el criterio de detección por amplitud, sino que lo que busca es ver la contribución de la señal reflejada y acoplada.
Debido al poco ancho de banda que nos permiten transmitir y a la corta distancia a la que se encuentra el blanco a pesar de haber reducido el acoplo entre antenas, la contribución de estas dos señales queda enmascarada y no se puede llegar a distinguir, aplicando el método de barrido frecuencial.
En caso de tener un ancho de banda mayor, se ha comprobado que es viable realizar la detección utilizando este método.
Figura 6.4 Detección con el obstáculo a 8cm Figura 6.5 Detección con el obstáculo a 14cm
Figura 6.6 Detección con el obstáculo a 24 cm Figura 6.7 Detección con el obstáculo a 30cm
35
Finalmente queda comprobar los resultados al utilizar el método de detección por
amplitud.
Los resultados obtenidos se pueden ver figura 6.8.
El haber puesto una bocina, para aumentar la directividad y disminuir el acoplo ha surgido
un efecto positivo al aplicar este método. Ya que las pérdidas por propagación se ven
disminuidas y el acoplo es muy pequeño. Esto hace que haya un umbral superior a 10 dB
entre las amplitudes de las señales con obstáculo respecto a la que no y nos permitirá
detectar sin ningún problema.
Antenas Microstrip
Se han realizado diferentes diseños con las antenas microstrip en las banda de (61 a
61.5GHz), con sus respectivas simulaciones en ADS. En estas simulaciones se ha
intentado minimizar la señal que se acopla directamente para disminuir el ancho de banda
necesario. Para ello se han aplicado técnicas de agrupación de antenas, orientando el nulo
en la dirección de la antena receptora y también se han realizado diseños con polarización
circular, aplicando sentidos inversos de polarización a la antena transmisora de la
receptora.
Al intentar fabricar el modelo que resultaba más favorable para nuestro experimento, se
ha encontrado una limitación. La línea microstrip que alimenta la antena es demasiado
estrecha y no nos permite soldar el punto de alimentación al coaxial.
En concreto, la línea microstrip en la banda de frecuencias que se trabaja y con una
impedancia de 100Ω, tiene una anchura de 0.2039mm y el poste de alimentación es de
0.4mm.
No se ha realizado la construcción de la antena a 61.25GHz, porque las líneas microstrip
son demasiado estrechas para realizarlo en el laboratorio.
Debido a esto se ha considerado oportuno bajar a la banda de 24.125GHz para no tener
este problema.
Figura 6.8 Detección por amplitud
36
En esta nueva banda es imposible realizar la detección con el método de barrido de
frecuencia ya que se ha reducido a la mitad el ancho de banda. A partir de este momento
se utilizará la técnica de detección por amplitud. Una de las cosas buenas que tiene, es
que todas las mejoras que se han realizado en el apartado anterior sirven para esta nueva
banda.
6.2. Simulaciones en la banda de 24.125GHz
En esta banda de frecuencias se ha considerado oportuno realizar el diseño con antenas
microstrip aunque estamos en el límite de construcción. Aplicando diferentes técnicas para
minimizar la señal que se acopla directamente. Para ello se han aplicado técnicas de
agrupación de antenas, orientando el nulo en la dirección de la antena receptora y también
realizando diseños con polarización circular, aplicando sentidos inversos de polarización
en la antena transmisora de la receptora.
Los resultados de las simulaciones a esta banda de frecuencias se pueden encontrar en
el Anexo 3.
Para determinar la distancia de separación entre las antenas y ver cómo influye este
parámetro en el desacoplo se han realizado dos estudios: el primero moviendo la antena
en el eje X y el segundo manteniendo fija la X y moviendo en el eje de las Y.
Como conclusión de este estudio realizado, se puede destacar que contra más separación
exista entre las antenas más desacoplada estará una de la otra, pero el parámetro S12 no
decrece tan rápido como nos gustaría. Una de las características importantes del sistema
de detección es que ha de ser pequeño, en consecuencia no se podrá conseguir los
niveles de desacoplo deseados, solo aplicando esta técnica pasamos a realizar
agrupaciones de antenas. El segundo estudio no se puede aplicar en una agrupación de
antenas, debido a que se pierde la simetría.
Las simulaciones que se han realizado a grandes rasgos son de dos tipos de agrupaciones,
una de antenas lineales y la otra de antenas circulares.
Figura 6.9 Estudio de los parámetros S12 variando la distancia en el eje de las X
Figura 6.10 Estudio de los parámetros S12 variando la distancia en el eje de las Y
37
6.2.1. Agrupaciones con polarización lineal
La agrupación lineal está formada por un conjunto de antenas de polarización lineal, que
dependiendo la colocación de los elementos y las simetrías se pueden variar la orientación
de los ceros en el diagrama de radiación.
En el diseño de la antena de polarización lineal, se le han aplicado unas muescas para
adaptarla lo mejor posible.
Las dimensiones de la antena de polarización lineal se pueden observar en la imagen de
abajo.
El resultado de la simulación proporciona una adaptación satisfactoria, ya que el valor del
parámetro S11 es de -15.402 dB y se trata de una antena microstrip. En la impedancia, la
parte real está bien adaptada aunque la reactancia es algo negativa.
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-14
-12
-10
-8
-6
-16
-4
Frequency
Ma
g. [d
B]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(TFG_DIS_LINEAL_24_125GHZ_mom..S(1,1))=-15.402
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
2.350E100.428 / 2.991
m2
S11
m2freq=TFG_DIS_LINEAL_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.170 / -89.978impedance = Z0 * (0.944 - j0.330)
24.13GHz
Figura 6.11 Medidas antena polarización lineal f=24.125GHz
Figura 6.13 Simulación ADS parámetro S11 antena polarización lineal
Figura 6.12 Simulación ADS parámetro de la línea
38
6.2.2. Agrupaciones con polarización circular
En este caso está formada por antenas de polarización circular.
Para conseguir la polarización circular existen muchos métodos. Aquí se ha utilizado el
truncado, que consiste en ir truncando progresivamente las esquinas hasta lograr excitar
el modo degenerado y separarlo suficiente en frecuencia para lograr una buena relación
axial.
Dimensiones de la antena de polarización circular para que resuene a la frecuencia de
24.125 GHz.
El resultado de la simulación proporciona una adaptación satisfactoria, pues el valor del
parámetro S11 es de -35.723 dB y se trata de una antena microstrip. La impedancia está
perfectamente adaptada de ahí el buen valor del S11.
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m1
S11
m1freq=pfc_sim_antena_circular_sola..S(1,1)=0.016 / 81.986impedance = Z0 * (1.004 + j0.033)
24.13GHz
23.6
23.8
24.0
24.2
24.4
24.6
24.8
23.4
25.0
-35
-30
-25
-20
-15
-40
-10
Frequency
Mag. [d
B]
Readout
m2
S11
m2freq=dB(pfc_sim_antena_circular_sola..S(1,1))=-35.723
24.13GHz
Figura 6.14 Medidas antena polarización circular a 24.125GHz
Figura 6.16 Zin de la antena Figura 6.15 Parámetro S11 dB
39
De todas las simulaciones de las agrupaciones, se han elegido las más relevantes siempre
teniendo en cuenta el parámetro S12.
El resumen de los resultados obtenidos se puede ver en la tabla 6.1.
TIPO ANTENA S11 (dB) S12 (dB)
ANTENA LINEAL 1X1 -15,523 -42,015
ANTENA CIRCULAR 1X1 -35,894 -25,098
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA LINEAL -29,161 -59,983
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA CIRCULAR -19,608 -43,576
AGRUPACIÓN 4X4 ANTENA LINEAL -19,067 -52,333
AGRUPACIÓN 4X4 ANTENA CIRCULAR -13,677 -46,233
Tabla 6.1 Resumen de las simulaciones a 24.125GHz
Figura 6.17 Gráfica con el resumen de los valores del parámetro S12 según la polarización y el número de elementos
Para el rango de frecuencias de 24.125GHz se ha podido comprobar que las agrupaciones
lineales se comportan mejor en términos de desacoplo que las agrupaciones circulares.
Se ha escogido como diseño final para esta banda, la agrupación con polarización lineal
de dos elementos.
-42,015
-59,983
-52,33
-25,098
-43,576-46,13
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
1 2 4
S12
(dB
)
Número elmentos agrupación
RESULTADOS AGRUPACIONES 24,125GHz
AGRUPACIÓN P.LINEAL
AGRUPACIÓN P.CIRCULAR
40
6.2.3. Agrupación 2X2 con polarización lineal
El resultado de esta simulación es bastante bueno. El parámetro S12 es de -59.98dB y
esto provocará que las antenas transmisoras y receptoras estén bien desacopladas. De
esta manera se podrá aplicar el criterio de detección por amplitud más fácilmente, porque
la señal que se acopla directamente se habrá reducido.
Por otro lado el resultado de la adaptación de la impedancia es correcto ya que la parte
real es de 52.75Ω casi igual a la impedancia Z0 para la que se ha diseñado el sistema y
el valor de la reactancia es muy pequeño.
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-30
-25
-20
-15
-10
-35
-5
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,1))=-29.162
24.13GHz
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-60
-58
-56
-62
-54
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2))=-59.981
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
2.350E100.231 / -169.154
m4
S11
m4freq=TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom_a..S(1,1)=0.035 / 38.077impedance = Z0 * (1.055 + j0.045)
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m5
S12
m5freq=TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2)=0.001 / 61.506impedance = Z0 * (1.001 + j0.002)
24.13GHz
Figura 6.18 Diseño en ADS de la agrupación 2x2 de polarización lineal a 24.125GHz
Figura 6.19 Simulación del parámetro Figura 6.20 S11Simulación del parámetro S12
Figura 6.20 Simulación de la impedancia S11 Figura 6.21 Simulación de la impedancia S12
41
Una vez que se ha considerado satisfactorio el diseño y la simulación obtenida con ADS
se pasa a generar el Gerber para su posterior construcción.
6.2.4. Creación del Gerber
Para generar el Gerber, se abre el diseño de la antena y se aprieta en FILE → EXPORT.
Una vez dentro de EXPORT, se abre el desplegable de File type y se elige Gerber.
Después se indica la ruta donde se guardará el documento generado y finalmente se
aprieta en el botón Browse para completar el proceso. Ver figura 6.23
Para comprobar que se han realizado correctamente todos los pasos se va a la ruta donde
se ha indicado anteriormente y se busca un fichero con la extensión .gbr. Para ver el
contenido de este archivo es necesario, un visor de gerbers, en caso de no tener, se puede
utilizar el siguiente enlace online: http://www.gerber-viewer.com/default.aspx .
Una vez cargamos el fichero.gbr, nos aparece el diseño que hemos realizado.
Después de comprobar que el resultado del Gerber es satisfactorio, y que no se observa
ninguna anomalía, se envía al laboratorio, para que el técnico imprima y construya esta
antena. Este proceso se lleva a cabo utilizando técnicas de circuitos impresos.
Figura 6.22 Pasos para la creación de Gerber
Figura 6.23 Vista del Gerber agrupación 2x2 polarización lineal
42
6.2.5. Resultado final de la antena a 24.125 GHz
La antena construida, en la banda de 24.125Ghz tiene las siguientes medidas.
Figura 6.24 Medidas de la antena a 24.125Ghz
Como se puede apreciar, la suma total de las dos antenas más la separación que hay
entre ellas no supera los 4 cm, esto hace que el sistema completo sea de unas medidas
idóneas para su implementación.
Para realizar el cálculo de todas las medidas de la antena, se ha utilizado ROGER4003c
con las siguientes características:
Constante dieléctrica (Ɛ𝑟) 3.55
Grosor del dieléctrico 0.020’’ (0.508mm)
Factor de disipación (tan δ) 0.0027
Grosor de la metalización 17 µm
Tabla 6.2 Parámetros del dieléctrico utilizado
El siguiente paso es comprobar en el laboratorio, de manera práctica, si la antena
construida cumple todas las características que se han obtenido en las simulaciones.
Debido a un defecto en la construcción dos elementos de las agrupaciones no radian, ya
que la línea microstrip que los alimenta se ha roto. Como ya se ha comentado este diseño
estaba en el límite. La tecnología del laboratorio permite realizar con dificultad líneas
microstrip inferiores a 0.5mm y en este caso se ha bajado a 0.25mm.
Por ello no se muestran los valores obtenidos en el laboratorio ya que no son concluyentes
y no nos aportan ninguna mejora.
Se ha bajado a la otra banda de frecuencias donde las líneas microstrip serán más anchas
y no se romperán tan fácilmente. Además de que la tecnología no ha evolucionado tanto
y los componentes para generar estas frecuencias todavía son muy caros y escasos.
La siguiente banda de frecuencias en la que se va a trabajar va de 10.5 a 10.6GHz
43
6.3. Simulaciones en la banda de 10.55Ghz
Los objetivos para esta banda de frecuencias son los mismo que en las bandas anteriores,
se quiere lograr que la antena TX y la antena RX este lo más desacopladas posibles para
disminuir la señal que se acopla directamente. El método de detección que se aplica es la
detección por amplitud ya que se ha podido comprobar que el ancho de banda es
insuficiente para poder aplicar el método de barrido de frecuencia.
Se han realizado varios diseños, los cuales corresponden a dos tipos de agrupaciones,
una con polarización lineal y la otra con polarización circular.
Estas agrupaciones como ya se ha dicho anteriormente están formadas por elementos
iguales que corresponden cada uno de ellos a una antena. Se detallará la simulación de
los dos tipos elementos para poder entender mejor las características de las agrupaciones.
6.3.1. Agrupaciones con polarización lineal
Al diseño de la antena de polarización lineal, se le han aplicado unas muescas para
adaptarla más finamente a la frecuencia de trabajo.
Las dimensiones de esta antena son algo más grandes en comparación a los diseños
anteriores ya que la frecuencia trabajo ha disminuido.
Figura 6.25 Medidas antena lineal
Los resultados de las simulaciones para este tipo de antena se muestran en las figuras
6.27 y 6.28
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Ma
g.
[dB
]
10.55G-22.40
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom_a..S(1,1))=-22.402
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
1.055E100.081 / -13.166
m2
S11
m2freq=PFC_SIM_1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1)=0.081 / -13.166impedance = Z0 * (1.172 - j0.044)
10.55GHz
Figura 6.26 S11 (dB) antena polarización lineal Figura 6.27 Zin antena de polarización lineal
44
6.3.2. Agrupaciones con polarización circular
Para lograr la polarización circular se ha ido truncando progresivamente las esquinas
opuestas hasta dar con la polarización deseada.
Las dimensiones de la antena las tenemos detallas en la figura 6.29
Los resultados de las simulaciones se muestran en las figuras 6.30 y 6.31
Estas dos simulaciones muestran el comportamiento de un elemento por separado de la
agrupación de polarización lineal y circular. En ambos casos se puede observar que el
elemento está perfectamente adaptado a la frecuencia de trabajo y que la impedancia de
la entrada corresponde a la Z0 para el que se ha diseñado.
Figura 6.28 Medidas antena polarización circular
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1))=-25.793
10.50GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m2
S11
m2freq=PFC_SIM_1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1)=0.010 / 108.349impedance = Z0 * (0.993 + j0.020)
10.55GHz
Figura 6.29 S11 (dB) antena polarización circular Figura 6.30 Zin antena polarización circular
45
De todas las simulaciones de las agrupaciones, se han elegido las más relevantes,
exponiendo lo resultados en la tabla 6.3 para la frecuencia de 10.55Ghz.
TIPO ANTENA S11 (dB) S12 (dB)
ANTENA LINEAL 1X1 -26,239 -29,617
ANTENA CIRCULAR 1X1 -35,477 -26,108
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA LINEAL -13,64 -44,521
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA CIRCULAR -21,644 -55,864
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA LINEAL PUERTOS OPUESTOS -13,622 -44,255
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA CIRCULAR PUERTOS OPUESTOS -21,6 -52,24
AGRUPACIÓN 4X4 ANTENA LINEAL -12,749 -44,005
AGRUPACIÓN 4X4 ANTENA CIRCULAR -11,167 -45,777 Tabla 6.3 Tabla comparativa de simulaciones
Figura 6.31 Resumen de los resultados
De los resultados anteriores podemos destacar que la AGRUPACIÓN 2X2 ANTENA
CIRCULAR, es la que mejor cumple los objetivos que se han especificado inicialmente,
debido a que la señal que se acopla directamente, de la antena TX a la RX, será atenuada
considerablemente.
De esta manera la señal que se refleja en el coche, la recibiremos más clara y nos será
más fácil efectuar su detección.
En el siguiente apartado se especifica de manera detallada los valores de la simulación.
-26,108
-55,864-45,777
-29,617
-44,521 -44,005
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
1 2 4
S12
dB
Elementos agrupación
RESULTADOS AGRUPACIONES 10,55GHz
agruapcionescirculares
agrupacioneslineales
46
ARUPACIÓN 2X2 DE ANTENAS CIRCULARES
Figura 6.32 Agrupación 2x2 polarización circular
RESULTADOS DEL DISEÑO
Una vez que se ha comprobado que todo está correcto se envía el Gerber al laboratorio,
para que construyan la antena.
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-25
-20
-15
-10
-30
-5
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1))=-21.644
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-80
-70
-60
-50
-40
-90
-30
Frequency
Ma
g. [d
B]
10.55G-55.86
m2
S12
m2freq=dB(PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom_a..S(1,2))=-55.864
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1)=0.083 / -132.948impedance = Z0 * (0.887 - j0.108)
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom_a..S(1,2)=0.002 / -123.577impedance = Z0 * (0.998 - j0.003)
10.55GHz
Figura 6.33 S11 (dB) antena polarización circular
Figura 6.36 Impedancia de la línea Figura 6.35 Zin antena polarización circular
Figura 6.34 S21 (dB) antena polarización circular
47
6.3.3. Resultado final de la antena a 10.55GHz
Las medidas de la antena que se ha construido se pueden ver en la figura 6.38
En la figura 6.39 vemos la separación que hay entre las dos agrupaciones y entre los
elementos, en este caso es λ/2, tanto en la antena transmisora como en la antena
receptora.
Figura 6.38 Separación entren antenas y entre elementos
Las medidas globales de toda la antena teniendo en cuenta el contorno donde se ubica
son de 80x30mm, esto hace que comparado con los resultados obtenidos en las otras
bandas de frecuencia, sea un poco grandes de lo deseado. Lo damos como bueno ya que
en los otros casos no se han podido fabricar y proseguimos con su fabricación.
Para realizar el cálculo de todas las medidas de la antena, se ha utilizado ROGER4003c
con las siguientes características:
Constante dieléctrica (Ɛ𝑟) 3.55
Grosor del dieléctrico 0.032’’ (0.813mm)
Factor de disipación (tan δ) 0.0027
Grosor de la metalización 17 µm
Tabla 6.4 Parámetros del dieléctrico
Figura 6.37 Medidas antena con polarización circular
48
Para consultar más información sobre el dieléctrico, ir al Anexo 5.
En la siguiente imagen se puede observar el resultado de la antena una vez construida.
Se puede observar que el Gerber y la antena coinciden correctamente y que en este caso
no se ha tenido problemas en la construcción de la antena.
El siguiente paso es comprobar la coherencia de los resultados en el laboratorio en
comparación a los obtenidos en las simulaciones con ADS. También se habrá de
comprobar si efectivamente tenemos un umbral de más de 6dB entre la señal con
obstáculo y la señal sin obstáculo.
Figura 6.39 Foto antena real a 10.55GHz
Figura 6.40 Gerber de la antena
49
6.4. Medidas experimentales a 10.55GHz
Se ha realizado un programa en Matlab, para representar el parámetro S12 y comprobar
los resultados obtenidos por el analizador de redes para las diferentes alturas. Ver Anexo
2.
En la siguiente gráfica, se puede apreciar los diferentes niveles de potencia con que
recibimos las señales.
En el capítulo 3 cuando se describía el radar de onda continua se comentó que para poder
detectar correctamente la presencia de un blanco utilizando el método de detección por
amplitud, se debía asegurar que la señal con obstáculo debía de estar por encima de la
señal sin obstáculo, un umbral mayor a 6dB.
Se ha elegido la señal a 24cm ya que es de las
señales con obstáculo la que tiene menor
potencia, debido a que recorre un mayor
camino, para compararla con la señal sin
obstáculo.
En la figura 6.43 se observa que la diferencia
entre ambas señales en todo el ancho de
banda el margen es superior a 10dB.
Por lo tanto gracias a haber aplicado
correctamente las técnicas de desacoplo de la
antenas se puede asegurar que el umbral
entre las dos señales es > 6dB.
Figura 6.41 Representación de los niveles de señal
Figura 6.42 Diferencia entre señal reflejada y la acoplada
50
Para asegurarnos que los valores obtenidos son coherentes teóricamente, se ha calculado
el nivel de señal que debería llegar aplicando la teoría.
En la gráfica 6.44 se puede observar tres señales de las cuales dos son el resultado teórico
de aplicar la formula descrita en el apartado de ecuación del radar, una teniendo en cuenta
la eficiencia de la antena y la otra no. La tercera señal es la que hemos obtenido al realizar
el experimento.
Para comprobar el correcto funcionamiento del sistema se ha realizado la diferencia entre
las señales teóricas con la señal obtenida en el experimento. Los resultados se pueden
ver en la figura 6.45.
Damos por correcto este experimento, ya que la diferencia que hay entre ambas señales
en ningún caso supera los 6dB.
Conclusión
El diseño que se ha construido, permite detectar la presencia de un coche utilizando el
método de detección por amplitud, gracias al haber desacoplado el parámetro S12.
Figura 6.44 Diferencia entre señal experimental y las teóricas
Figura 6.43 Medidas de las señales
51
7. Prototipo demostrador a 10.55GHz
Se ha intentado realizar un prototipo demostrador de todo el sistema generando la señal
y detectándola para la frecuencia de 10.55Gz utilizando el método de detección por
amplitud.
Para generar la señal se ha hecho servir un diodo de gunn, junto con una guía de ondas.
El tamaño de estas guías a la frecuencia en la que se está trabajando es elevado en
comparación a la antena. Pero para comprobar los resultados, es lo que tenemos a nuestra
disposición.
Debido a que el diodo de gunn del sistema de detección no es muy sensible, las
variaciones de tensión, respecto a detectar un vehículo o no, son casi inapreciables. En
consecuencia, se ha pensado cambiar el diodo por otro más sensible, pero por falta de
tiempo, no se ha llegado a realizar el experimento de nuevo.
Figura 7.1 Sistema de recepción Figura 7.2 Sistema de transmisión
52
8. Resumen y conclusiones
En este capítulo se presenta un resumen de las técnicas que se han realizado en cada uno de los métodos de detección, así como las conclusiones que se extraen a partir de los resultados de los capítulos anteriores.
8.1. Detección por barrido frecuencial
En el método de detección por barrido frecuencial el factor limitante es el ancho de banda
necesario, el cual guarda una relación intrínseca con la distancia al blanco, por ello contra
más cerca este el blanco más ancho de banda se necesita.
En las bandas de frecuencias que se han elegido el ancho de banda mayor que se tiene
a disposición es de 0.5Ghz para las frecuencias de 61 a 61.50Ghz.
Las antenas que se han utilizado para esta banda de frecuencias son las guías de ondas.
Se ha podido comprobar que sin aplicar ninguna técnica para desacoplar las antenas y
aumentar la directividad, no somos capaces de detectar el blanco.
Por ello se ha incorporado a la guía de ondas una bocina cónica, ya que nos aumenta la
directividad y nos desacopla las dos antenas.
Al hacer la antena más directiva, el haz se hace más estrecho, lo cual provoca que
disminuya el acoplo entre antenas. Teniendo en cuenta las amplitudes respecto al caso
inicial, la señal reflejada incrementará su amplitud, mientras que la señal acoplada
disminuirá.
El método de detección consisten en mirar el cambio de fase que ha sufrido la señal, contra
más camino recorra, la fase más rápido cambiará. Esto nos ayudará a detectar la señal
del acoplo respecto a la señal de la reflexión.
Debido a que se ha realizado un barrido limitado en frecuencia el resultado de la
transformada de Fourier tiene glóbulos secundarios, los cuales nos pueden inducir a una
falsa detección.
Para solucionar este problema se ha incorporado, un filtro de haming para atenuar la
contribución de los glóbulos secundarios.
Pero finalmente tampoco se ha conseguido detectar el blanco, ya que la señal reflejada y
la acoplada quedan enmascaradas, debido al poco ancho de banda.
8.2. Detección por amplitud
En este método, el factor limitante es la diferencia que hay entre la señal con obstáculo,
en comparación a la señal sin obstáculo. Para poder determinar la presencia del blanco
se deberá cumplir que la señal sin obstáculo, que es la suma de la señal acoplada más
las interferencias, esté por debajo de un umbral respecto a la señal que proviene de la
detección del blanco. Solo si se cumple que el umbral es más grande de 6dB se podrá
detectar el blanco.
Para este tipo de detección se han utilizados dos tipos de antenas: la antena microstrip y
la guía de ondas.
53
En las simulaciones iniciales, sin aplicar ninguna mejora, este lindar no se cumplía debido
a que la señal acoplada era mucho más grande que la reflejada y no se podía detectar el
blanco.
En consecuencia, a las guías de onda se les ha añadido una bocina cónica, para aumentar
la directividad de la antena y conseguir desacoplar el parámetro S12. Con esta bocina,
también se ha conseguido minimizar las pérdidas por propagación y aumentar la
directividad.
En las antenas microstrip ha sido un poco más complicado ya que se ha tenido que utilizar
técnicas de agrupación de antenas en las cuales se ha realizado un estudio de diferentes
estructuras, para cada banda de frecuencias.
Para ello se ha comprobado cómo influye la separación entre las antenas Rx y Tx en
términos del parámetro S12 teniendo en cuenta las dimensiones de la antena. También
se ha realizado un estudio, incrementado el número de elementos de la agrupación y
aplicando polarización lineal y circular.
Finalmente de cada banda se ha elegido la simulación que mejor cumplía en términos de
desacoplo y de directividad y se ha comprobado su correcto funcionamiento.
Al haber aplicado las diferentes técnicas citadas anteriormente, se ha podido realizar la
detección para diferentes alturas de los vehículos de manera satisfactoria.
8.3. Conclusiones generales
En la realización del sistema de detección presencial de un vehículo, los resultados
obtenidos en las simulaciones del proyecto utilizando la tecnología RF son satisfactorios,
ya que nos permiten distinguir de una manera clara y sencilla cuando tenemos un vehículo
encima o cuando no.
La detección se ha realizado utilizando el método de detección por amplitud, ya que con
el barrido frecuencial, es posible pero los anchos de banda que necesita son muy grandes
y no disponemos de ellos.
Para poder aplicar correctamente el método de detección por amplitud se necesita
desacoplar la antena Rx de la Tx. Para ello se han aplicado diferentes técnicas según la
banda de frecuencias en las que trabaje.
Para altas frecuencias se consigue buenos niveles de desacoplo y de directividad, con
diseños sencillos y de tamaños reducido, de una forma fácil como se ha visto en los
capítulos anteriores. Por contrapartida el precio de la electrónica a estas frecuencias es
muy caro.
Sin embargo, cuanto más se baja en frecuencia los tamaños de las antenas crecen y es
más difícil conseguir grandes valores de desacoplo entre la antenas, ya que se han de
aplicar técnicas de polarización y agrupaciones de antenas, en este caso los valores de la
directividad no son tan buenos. Pero se tiene la ventaja de que el precio de la electrónica
para realizar la detección es muy reducido.
Cuando la tecnología evolucione un poquito más y se abaraten los costes de la electrónica
para altas frecuencias, estos sistemas se podrán realizar de una manera sencilla, mientras
54
tanto, se tendrá que aplicar las técnicas de desacoplo que se han ido explicando, para que
el sistema sea barato.
9. Presupuesto
Este es un trabajo de investigación en el cual se han realizado algunos prototipos de antenas, para comprobar el correcto funcionamiento de las teorías y simulaciones que se han llevado a cabo en las diferentes bandas de frecuencias. Por ello, se va a realizar un análisis de costes, este análisis no incluirá el precio final del producto, ya que este proyecto no está enfocado a crear un producto final para vender, sino a investigar sobre la tecnología RF aplicada a la detección de un coche en un aparcamiento.
COSTES PERSONAL
DESCRIPCIÓN HORAS COSTE X HORA PRECIO TOTAL
Horas de dedicación al proyecto 1300 8 € 10.400 €
Técnico del laboratorio 7 14 € 98 €
Consultas al director de proyecto 30 18 € 540 €
COSTES PERSONAL 11.038 € Tabla 9.1 Detalle de los precios de personal
COSTES INSTRUMENTAL
Los costes del instrumental utilizado son muy elevados, debido a que se ha trabajado a frecuencias elevadas y la tecnología para este rango de frecuencias es muy cara.
Gracias a que se ha trabajando con el departamento de antenas, estos costes sean podido ahorrar, pues se dispone de todos estos instrumentos para realizar las medidas.
INSTRUMENTO MODELO PRECIO
ANALIZADOR DE REDES N5247 PNA-X 192.833 €
GENERADOR DE SEÑALES BK Precisión 4040A 640 €
FUNTES DE ALIMENTACIÓN GW Instek GPS-2303 430 €
MULTIMETRO DIGITAL Hioki 3245-60 148 € Tabla 9.2 Detalle de los precios de instrumental
COSTES DE FABRICACIÓN ANTENA MICROSTRIP
DESCRIPCIÓN PRECIO
Costes lamina del dieléctrico 17,0 €
Costes impresión 7,0 €
Costes acido para atacar al dieléctrico 3,0 €
Costes conectores 3,5 €
TOTAL PRECIO ANTENA 30,5 € Tabla 9.3 Detalle de los precios antena microstrip
55
COSTE FABRICACION GUIA DE ONDA A 61.25
DESCRIPCIÓN PRECIO
ANTENA GUIA DE ONDAS 500,00 €
BOCINA CONICA 400,00 € Tabla 9.4 Detalle de los costes guía de ondas
COSTES DE SOFWARE
PROGRAMAS PRECIO AÑO
MATLAB 105 €
AGILENT ADS GRATUITO POR ESTUDIANTE 12 MESES Tabla 9.5 Detalle de costes del sofware utilizado
Una vez se ha realizado el desglose de todos los precios pasamos a realizar el cálculo total de los costes del proyecto. Ver tabla 9.6,
RESUMEN COSTES TOTALES CANTIDAD PRECIO
PERSONAL 11.038,0 €
SOFWARE 105,0 €
ANTENA MICROSTRIP 2 61,0 €
ANTENA GUIAS DE ONDAS 2 1800,0 €
TOTAL 13.004,0 € Tabla 9.6 Detalle de los costes totales
Los costes principalmente están englobados en las horas de dedicación personal al proyecto y en la antena de guía de ondas a 61.250Ghz.
56
Bibliografía
Textos de antenas
[1] C.A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 2º ed., John Wiley & Sons New York, 1997.
[2] A. Cardama, Ll. J.Roca, J. M. Rius, J. R. Robert, S. Blanc, M. F. Bataller, Antenas 2ª ed, Edicions UPC, 2002.
[3] H.F Lee, W. Chen, Advances in Microstrip and Printed Antennas, John Wiley & Sons, Nueva York, 1995.
[4] A. Oliner, G.Unittel, Phased Array Antennas, Artech House, Boston.
[5] A.D. Olver, P.J.B. Clarricoats, Microwave Horns and Feeds, IEEE Press, Nueva York, 1994.
[6] J.R. James, P.S. Hall, C. Wood, Microstrip Antennas Theory and Design, Peter Peregrinus, Londres, 1982.
[7] Reinmut K Hoffmann, Handbook of Microwave Integrated Circuits (Artech House Microwave Library) Hardcover – September 1, 1987.
Páginas web utilizadas para realizar el estudio de las alturas de los vehículos
Modelos Seat: http://www.seat.es/
Modelos Audi: http://www.audi.es/es/brand/es.html
Modelos Peugeot: http://www.peugeot.es/
Modelos Volkswagen: http://www.volkswagen.es/es.html
Modelos Minicooper: http://www.mini.es/mini/cooper/
Modelos Dacia: http://www.dacia.es/
Modelos Renault: http://www.renault.es/
Modelos Mercedes: http://www.mercedes-benz.es/
Modelos Volvo: http://www.volvocars.com/es
Modelos Citroën: http://www.citroen.es/home.html
Modelos Kia: http://www.kia.com/es/
Modelos Hyundai: http://www.hyundai.com/es/es/Main/index.html
Modelos Jeep: http://www.jeep.es/
Páginas web utilizadas para los precios instrumentos laboratorio
Analizador de redes:
http://www.keysight.com/en/pd-1898852-pn-N5247A/pna-x-microwave-network-analyzer?cc=ES&lc=eng
Multímetros: http://www.cedesa.com.mx/multimetros/digitales-bolsillo/
Fuentes de alimentación: http://www.cedesa.com.mx/fuentes-poder/
Generador de señales: http://www.cedesa.com.mx/generadores-funciones/analogicos/
Páginas web utilizadas para costes del software:
Matlab: https://es.mathworks.com/store/link/products/home/new
Agilent Ads: http://www.keysight.com/main/editorial.jspx?cc=ES&lc=spa&ckey=1488740&nid=-
34360.0.00&id=1488740&cmpid=zzfindeesof-university
Programa utilizados
Calculo de las líneas microstrip: http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/ms_line_e.htm
57
Wikipedia
http://es.wikipedia.org/wiki/Antena
http://es.wikipedia.org/wiki/Monopolo_vertical
http://www3.fi.mdp.edu.ar/mediciones/apuntes/Radarppt.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Radar#Clasificaci.C3.B3n_de_los_sistemas_de_radar
ROGERS
https://www.rogerscorp.com/documents/726/acm/RO4000-Laminates---Data-sheet.pdf
58
Anexo 1. Estudio de las alturas
En este apartado se ha realizado un estudio de los modelos más comunes que existen en
el mercado, para ver la altura libre al suelo que tienen las diferentes categorías de
vehículos.
TURISMOS
MARCA MODELO ALTURA (mm)
PEUGEOT 208 129
AUDI A4 106
WOLFSWAGEN GOLF 142
AUDI A6 106
MINICOPPER CABRIO 139
DACIA LOGAN 155
MERCEDES BENZ CLASE B 98
REANULT TWINGO 120
VOLVO V40 133
VOLVO v30 135 Tabla 9.7 Alturas de los turismos
SUV
MARCA MODELO ALTURA (mm)
KIA SPORTATGE 172
NISSAN QASHQAI 200
HYUNDAI IX35 170
JEEP RENEGADE 210
SEAT LEON XPERIA 172 Tabla 9.8 Alturas de los SUV
FURGONETAS
MARCA MODELO ALTURA (mm)
WOLFSWAGEN TRANSPORTER 165
MERCEDES BENZ VITO 151
RENAULT TRAFIC 160
CITROEN C3 PICASO 174 Tabla 9.9 Alturas de las furgonetas
59
TODOTERRENO
MARCA MODELO ALTURA (mm)
AUDI Q7 230
AUDI Q5 225
VOLVO XC70 205
WOLWSVAGEN TOAREG 238
JEEP GRAN CHEROKEE 224
JEEP WEANGLER RUBICON 260 Tabla 9.10 Alturas de los todoterrenos
Una vez se tiene una cantidad considerable de vehículos, se pasa a calcular la media de
sus alturas por categorías. De esta manera se tendrá una idea más clara de las distancias
que se va a tener a la hora de transmitir la señal.
CATEGORÍA MEDIA (mm)
TURISMOS 126,30
SUV 184,80
FURGONETAS 162,50
TODOTERRENOS 230,33 Tabla 9.11 Altura media por categoría
Se tendrá que tratar con especial cuidado los dos extremos, ya que son limitantes según el método de detección que se utilice.
En el barrido de frecuencia, se tendrá que cumplir la distancia más baja para que el experimento funciones y en la detección por amplitud, se tendrá que cumplir con la distancia más alta.
60
Anexo 2. Programas Matlab
SIMULACIÓN TEÓRICA EN LA BANDA DE 61.25GHZ
%%***************SIMULACIÓN BARRIDO DE FRECUENCIA******************%%
%En este programa se genera una señal de forma teórica simulando las
señales que tenemos en el sistema de detección y se comprueba el
comportamiento de la detección frecuencial para dos casos de ancho de
banda.
%ACTIVAR 1, DESCATIVAR 0. filtro_hamming=1; %DECLARACI�N DE LAS VARIABLES A1=1; A2=1; r1=0.018; %distancia entre las antenas r2=0.25; %distancia de ida y vuelta al blanco
%Ancho de banda delimitado f1=61; f2=61.5; f3=62.5; c=3e+8; %GENERO LAS MUESTRAS DEL ANCHO DE BANDA f=linspace(f1,f2,3001);%(0.5) f4=linspace(f1,f3,3001);
%SEÑALES CON DIFERENTES ANCHOS DE BANDA E1=A1*exp(-i*2*pi*f*1e9/c*r1); E2=A2*exp(-i*2*pi*f*1e9/c*r2); %SEÑAL CON BLANCO BW INSUFICIENTE E=E1+E2; %SEÑAL SIN BLANCO BW INSUFICIENTE Eo=E1; E3=A1*exp(-i*2*pi*f4*1e9/c*r1); E4=A2*exp(-i*2*pi*f4*1e9/c*r2); %SEÑAL CON BLANCO BW SUFICIENTE Et=E3+E4; %SEÑAL SIN BLANCO BW SUFICIENTE Eto=E3;
if filtro_hamming==1 E=E.*hamming(3001)'; Et=Et.*hamming(3001)'; Eo=Eo.*hamming(3001)'; Eto=Eto.*hamming(3001)'; end % A=fftshift(ifft(E)); %(0.5) t=linspace(-0.5,2.5,201); %señales con blanco h=freq2time(f,t,E); h1=freq2time(f4,t,Et); %señales sin blanco h2=freq2time(f,t,Eo); h3=freq2time(f4,t,Eto);
61
%PLOTS DE LAS SIMULACIONES figure(1); plot(t*0.15,abs(h2),t*0.15,abs(h)); grid on; legend('Señal sin blanco','12.5cm'); xlabel('m'); ylabel('amplitud'); if filtro_hamming==1 title('FILTRO HAMING ACTIVADO BW INFERIOR'); else title('FILTRO HAMING DESACTIVADO BW INFERIOR'); end; %title('SIMULACIÓN ANCHO DE BANDA INSUFICIENTE');
%PLOTS DE LAS SIMULACIONES figure(2); plot(t*0.15,abs(h3),t*0.15,abs(h1)); grid on; legend('Señal sin blanco','12.5cm'); xlabel('m'); ylabel('amplitud'); if filtro_hamming==1 title('FILTRO HAMING ACTIVADO BW SUFICIENTE'); else title('FILTRO HAMING DESACTIVADO BW SUFICIENTE'); end;
SIMULACIÓN EXPERIMENTAL EN LA BANDA 61.25GHZ %---------------------------EXPLICACIÓN--------------------------------%
%ES UN PROGRAMA QUE EXTRAE LOS DATOS DEL FICHERO GENERADO POR EL
ANALIZADOR DE REDES Y APLICA LOS DOS METODOS DE DETECCIÓN ADEMÁS DE
PODER HABILITAR Y DESABILITAR CADA UNO DE ELLOS
% METODO DE DETECCIÓNES Y FILTROS 1 ACTIVO 0 KO BARRIDO=1; AMPLITUD=0; FILTRO_HAMING=1;
%CARGA DE DATOS load sinNada.s2p; load medida_8.s2p; load medida_13.s2p; load medida_14.s2p; load medida_24.s2p; load medida_30.s2p;
%EXTRACCIÓN DE LOS VALORES
% EXTRACCIÓN DE LA FREQUENCIA f = sinNada(:,1); % EXTRACCIÓN DEL PARAMETROS S12 S12_nada=((sinNada(:,2))+(sinNada(:,3)*j)); E0=abs(S12_nada).^2; S12_8cm=((medida_8(:,2))+(medida_8(:,3)*j)); E1=abs(S12_8cm).^2;
62
S12_13cm=((medida_13(:,2))+(medida_13(:,3)*j)); E2=abs(S12_13cm).^2; S12_14cm=((medida_14(:,2))+(medida_14(:,3)*j)); E3=abs(S12_14cm).^2; S12_24cm=((medida_24(:,2))+(medida_24(:,3)*j)); E4=abs(S12_24cm).^2; S12_30cm=((medida_30(:,2))+(medida_30(:,3)*j)); E5=abs(S12_30cm).^2;
E0h=S12_nada; E1h=S12_8cm; E2h=S12_14cm; E3h=S12_24cm; E4h=S12_30cm;
if FILTRO_HAMING==1 E0h=S12_nada.*hamming(201); E1h=S12_8cm.*hamming(201); E2h=S12_14cm.*hamming(201); E3h=S12_24cm.*hamming(201); E4h=S12_30cm.*hamming(201); end;
A=fftshift(ifft(E0h)); B=fftshift(ifft(E1h)); C=fftshift(ifft(E2h)); D=fftshift(ifft(E3h)); E=fftshift(ifft(E4h)); t=linspace(-0.5,2.4,2001); h0=freq2time(f*1e-9,t,E0h); h1=freq2time(f*1e-9,t,E1h); h2=freq2time(f*1e-9,t,E2h); h3=freq2time(f*1e-9,t,E3h); h4=freq2time(f*1e-9,t,E4h);
%GRAFICO 1, ME MUESTRA LA POTENCIA QUE RECIBE LA ANTENA EN mW figure(1); plot(f,E0,f,E1,f,E2,f,E3,f,E4,f,E5); grid on; xlabel('frecuencia Hz'); ylabel('potencia en lineal'); legend('SIN NADA','8 cm','13 cm','14 cm ','24 cm','30 cm'); title('POTENCIA RECIBIDA POR LA ANTENA')
% activar método de amplitud if AMPLITUD==1
% %EXPRESAR LOS RESULTADOS EN dB dB_E0=10*log10(E0); dB_E1=10*log10(E1); dB_E2=10*log10(E2); dB_E3=10*log10(E3); dB_E4=10*log10(E4); dB_E5=10*log10(E5);
% %GRAFICO 2 ME MUESTRA LA POTENCIA QUE RECIBE LA ANTENA EN dB figure(2);
63
plot(f,dB_E0,f,dB_E1,f,dB_E2,f,dB_E3,f,dB_E4,f,dB_E5); grid on; xlabel('frecuencia Hz'); ylabel('potencia dB'); legend('SIN NADA','8 cm','13 cm','14 cm ','24 cm','30 cm'); title('POTENCIA RECIBIDA POR LA ANTENA EN dB'); end
% Activar método de barrido if BARRIDO==1
% Multiplicamos por 0.15 para obtener la distancia al blanco, ya que
% en 1ns a la velocidad de la luz recorre 0.3 y queremos la distancia de
% ida solamente. figure(2); plot(t*0.15,abs(h0),t*0.15,abs(h1)); grid on; xlabel('m'); legend('Sin obstaculo','8cm'); if FILTRO_HAMING==1 title('APLICANDO HAMMING'); else title('SIN APLICAR HAMMING'); end;
figure(3); plot(t*0.15,abs(h0),t*0.15,abs(h2)); grid on; xlabel('m'); legend('Sin obstaculo','14cm'); if FILTRO_HAMING==1 title('APLICANDO HAMMING'); else title('SIN APLICAR HAMMING'); end;
figure(4); plot(t*0.15,abs(h0),t*0.15,abs(h3)); grid on; xlabel('m'); legend('Sin obstaculo','24cm'); if FILTRO_HAMING==1 title('APLICANDO HAMMING'); else title('SIN APLICAR HAMMING'); end;
figure(5); plot(t*0.15,abs(h0),t*0.15,abs(h4)); grid on; xlabel('m'); legend('Sin obstaculo','30cm'); if FILTRO_HAMING==1 title('APLICANDO HAMMING'); else title('SIN APLICAR HAMMING'); end; end;
64
FREQ2TIME
%---------------------------EXPLICACIÓN--------------------------------%
%Esta función, es equivalente a realizar la transformada de Fourier, nos
devuelve la señal en el tiempo.
function h=freq2time(f,t,H) % h=freq2time(f,t,H) % f = frecuencia en GHz % t = tiempo en ns. % H = espectro frecuencial % h = señal en el tiempo
t=t(:); f=f(:)'; H=H(:);
tt=t*ones(size(f)); ff=ones(size(t))*f; A=exp(i*2*pi*ff.*tt); h=A*H*(f(length(f))-f(1))/length(f);
SIMULACIÓN EXPERIMENTAL EN LA BANDA DE 10.55GHZ
%ESTE PROGRAMA QUE EXTRAE LOS DATOS DEL FICHERO DEL ANALIZADOR DE REDES
Y MUESTRA LOS NIVELES DE SEÑAL load circ_nada.s1p; load circ_8cm.s1p; load circ_11cm.s1p; load circ_15cm.s1p; load circ_21cm.s1p; load circ_24cm.s1p; load circ_nada2.s1p;
% EXTRACCIÓN DE LA FREQUENCIA f = circ_nada(:,1);
% EXTRACCIÓN DEL PARAMETROS S12 S12_nada=((circ_nada(:,2))+(circ_nada(:,3)*j)); E0=abs(S12_nada).^2; S12_8cm=((circ_8cm(:,2))+(circ_8cm(:,3)*j)); E1=abs(S12_8cm).^2; S12_11cm=((circ_11cm(:,2))+(circ_11cm(:,3)*j)); E2=abs(S12_11cm).^2; S12_15cm=((circ_15cm(:,2))+(circ_15cm(:,3)*j)); E3=abs(S12_15cm).^2; S12_21cm=((circ_21cm(:,2))+(circ_21cm(:,3)*j)); E4=abs(S12_21cm).^2; S12_24cm=((circ_24cm(:,2))+(circ_24cm(:,3)*j)); E5=abs(S12_24cm).^2; S12_nada2=((circ_nada2(:,2))+(circ_nada2(:,3)*j)); E6=abs(S12_nada2).^2;
%GRAFICO 1 MUESTRA LA POTENCIA QUE RECIBE LA ANTENA EN mW figure(1); plot(f,E0,f,E1,f,E2,f,E3,f,E4,f,E5);
65
grid on; xlabel('frecuencia Hz'); ylabel('potencia en lineal'); legend('SIN NADA','8 cm','11 cm','15 cm ','21 cm','24 cm'); title('POTENCIA RECIBIDA POR LA ANTENA')
%EXPRESAR LOS RESULTADOS EN dB dB_E0=10*log10(E0); dB_E1=10*log10(E1); dB_E2=10*log10(E2); dB_E3=10*log10(E3); dB_E4=10*log10(E4); dB_E5=10*log10(E5); dB_E6=10*log10(E6);
%GRAFICO 2 ME MUESTRA LA POTENCIA QUE RECIBE LA ANTENA EN dB figure(2); plot(f,dB_E0,f,dB_E1,f,dB_E2,f,dB_E3,f,dB_E4,f,dB_E5); grid on; xlabel('frecuencia Hz'); ylabel('potencia dB'); legend('SIN NADA','8 cm','11 cm','15 cm ','21 cm','24 cm'); title('POTENCIA RECIBIDA POR LA ANTENA EN dB');
%COMPROVACION RESULTADOS% %**********************************************************************% %En este programa se intenta comprobar si los parámetros obtenidos de %manera experimental se corresponde a los esperados teóricamente, para la %frequencia de trabajo de 10.55GHz %**********************************************************************%
%DEFINICIÓN DE LOS VALORES EXPERIMENTALES dist=[0.08,0.11,0.15,0.21,0.24,3]; res_experimentales=[dB_E1(400), dB_E2(400), dB_E3(400), dB_E4(400),
dB_E5(400), dB_E0(400)];
%DEFINICIÓN DE LAS CONSTANTES DE LOS VALORES TEÓRICOS. Fw=10.55e9; c=3e8; er=3.55; landa=c/Fw; %LA DIRECTIVIDAD DE LA ANTENA EN DB TANTO TRANS COMO RECEP DT=9.369; %LA DIRECTIVIDAD DE LA ANTENA EN LINEAL D_l=10^(9.369/20); D_l2=10^(8.649/20); %La ganancia de la antena GT=8.649; GR=8.649; EFICIENCIA=0.84905; %CALCULO DE LOS VALORES TEORICOS pt = D_l*D_l*(landa./(4*pi.*dist)).^2; pt1_aprox=D_l2*D_l2*(landa./(4*pi.*dist)).^2; dbRes=10*log10(pt) dbRes_effi=10*log10(pt1_aprox); db_pr_pt= 2*DT+20*log10(landa/4*pi)-20*log10(dist)
66
%REPRESENTACIONES GRÁFICAS figure(3) plot(dist,res_experimentales,dist, dbRes, dist,dbRes_effi); grid on; xlim([0 0.5]); xlabel('distancia "m" al vehiculo'); ylabel('relación PT/PR en dB'); legend('Medidas experimentales','Medidas teóricas', 'Medidas teóricas
con la eficiencia antena'); title('RELACIÓN DE POTENCIA RECIBIDA POR LA ANTENA');
%Hora vamos a pintar la diferencia entre la señal teórica y la
experimental. dif=abs(res_experimentales-dbRes); dif_aprox=abs(res_experimentales- dbRes_effi);
figure(4) plot(dist, dif, dist, dif_aprox); xlim([0 0.5]); grid on; legend('Dif experimentales-Teoricos', 'Dif experimentales-
Teoricos.efi'); xlabel('distancia "m" al vehiculo'); ylabel('Diferencia entre PT/PR teórica y la experimental en dB'); title('DIFERENCIAS DE MAGNITUD'); difabs= abs(dB_E0-dB_E5);
figure(5) plot(f,difabs) grid on; xlabel('frecuencia Hz'); ylabel('potencia dB'); title('UMBRAL');
67
ANCHURA LÍNEA MICROSTRIP CON MÉTODO DE SÍNTESIS PARA 10.55GHz
%Este programa nos permite, calcular la anchura de una línea microstrip, %según la impedancia que queramos que tenga la línea.
%DEFINICIÓN DE LAS CONSTANTES %Impedancia de la línea Zo=100; %La contante del dieléctrico Er=3.55; %La altura del dieléctrico para frecuencia 10.55GHz h=0.813; %La contante e e=2.7182818284; % grosor de la metalización t=17/1000;
%Cálculo de las contantes de A y B.
A=(((Zo/60)*(sqrt((Er+1)/2)))+(((Er-1)/(Er+1))*(0.23+(0.11/Er)))); B=(60*pi^2)/(Zo*sqrt(Er));
%Cálculo de la anchura de la línea microstrip if A>1.52 W=((8*e^A)/((e^(2*A))-2))*h;
else W=((2/pi)*(B-1-log(2*B-1)+((Er-1)/(2*Er))*(log(B-1)+0.39-
(0.61/Er))))*h;
end
% Si queremos ajustar más este resultado, tenemos que tener en cuenta la
metalización del dieléctrico
if W/h<=(1/(2*pi)) B1=2*pi*W; else B1=h; end Wreal= W-(1.25*(t/pi)*(1+log((2*B1)/t)));
fprintf('La anchura de la línea Microstrip con una impedancia de Zo= %d,
vale %f\n',Zo, Wreal);
68
ANCHURA LÍNEA MICROSTRIP CON MÉTODO DE ANÁLISIS PARA 10.55GHz
ER = input ('Introdueix ER: '); h = input ('Introdueix la altura: '); Z0 = input ('Introdueix la impedancia caracteristica (Z0): '); preZ0 = input ('Introdueix la precisió del resutat: '); Microestrip = input ('Introdueix si desitjats fer els calculs per a
microestrip un 1(Afirmatiu) o un 0(Negatiu): '); % Aqui fico els valors inicial que tindran les variables que he trobar. Z01=0.05; w=h; if Microestrip == 1
while abs((Z01-Z0)/Z0)>preZ0 if w/h>1 F=1/(sqrt(1+((12*h)/w))); Eref=(ER+1)/2+(ER-1)/2*F;
Z01=(120*pi)/(sqrt(Eref)*((w/h)+1.393+0.667*log(w/h+1.444))); else w/h<1 F= 1/sqrt(1+(12*h/w))+0.04*(1-(w/h))^2; Eref=(ER+1)/2+(ER-1)/2*F; Z01=60/sqrt(Eref)*log((8*h/w)+(w/4*h)); end
if Z01>Z0 w=w+w/(1/preZ0);
else w=w-w/(1/preZ0);
end
end
end input ('Els valors calculats amb Microstrip son: ')
69
Anexo 3. Simulaciones ADS
En este anexo se van a mostrar las simulaciones de las diferentes estructuras para las
bandas de 24.125 y 10.55Ghz.
Estas simulaciones están formadas por una antena TX y una RX, estrictamente se debería
mostrar los parámetros S11, S22, S12 y S21, pero como las antenas son idénticas, el S11
y S22 son esactamente iguales y el con el S12 y S21 pasa esactamente lo mismo, en
consecuencia solo mostraré uno de los dos.
SIMULACIONES EN LA BANDA DE 24.125GHZ
ANTENA LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
2.350E100.428 / 2.991
m2
S11
m2freq=TFG_DIS_LINEAL_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.170 / -89.978impedance = Z0 * (0.944 - j0.330)
24.13GHz
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-14
-12
-10
-8
-6
-16
-4
Frequency
Ma
g. [d
B]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(TFG_DIS_LINEAL_24_125GHZ_mom..S(1,1))=-15.402
24.13GHz
70
ANTENA CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23.6
23.8
24.0
24.2
24.4
24.6
24.8
23.4
25.0
-35
-30
-25
-20
-15
-40
-10
Frequency
Mag. [d
B]
Readout
m2
S11
m2freq=dB(pfc_sim_antena_circular_sola..S(1,1))=-35.723
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m1
S11
m1freq=pfc_sim_antena_circular_sola..S(1,1)=0.016 / 81.986impedance = Z0 * (1.004 + j0.033)
24.13GHz
71
AGRUPACIÓN 1X1 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-14
-12
-10
-8
-6
-16
-4
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(TFG_1X1_DIS_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,1))=-15.523
24.13GHz
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-44.0
-43.5
-43.0
-42.5
-42.0
-44.5
-41.5
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(TFG_1X1_DIS_LINEAL_18_24_125GHZ_mom_a..S(1,2))=-42.015
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=TFG_1X1_DIS_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.167 / -92.618impedance = Z0 * (0.932 - j0.321)
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=TFG_1X1_DIS_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2)=0.008 / -1.770impedance = Z0 * (1.016 - j4.976E-4)
24.13GHz
72
AGRUPACIÓN 1X1 ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23
.6
23
.8
24
.0
24
.2
24
.4
24
.6
24
.8
23
.4
25
.0
-35
-30
-25
-20
-15
-40
-10
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(pfc_sim_1X1_antena_circular_sola_mom..S(1,1))=-35.894
24.13GHz
23
.6
23
.8
24
.0
24
.2
24
.4
24
.6
24
.8
23
.4
25
.0
-28
-27
-26
-25
-29
-24
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(pfc_sim_1X1_antena_circular_sola_mom..S(1,2))=-25.098
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=pfc_sim_1X1_antena_circular_sola_mom..S(1,1)=0.016 / 68.680impedance = Z0 * (1.011 + j0.030)
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
2.450E100.057 / 57.949
m4
S12
m4freq=pfc_sim_1X1_antena_circular_sola_mom..S(1,2)=0.056 / 108.377impedance = Z0 * (0.960 + j0.102)
24.13GHz
73
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENAS CON POLARIZACION LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-30
-25
-20
-15
-10
-35
-5
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom_a..S(1,1))=-29.161
24.13GHz
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-60
-58
-56
-62
-54
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2))=-59.983
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2)=0.001 / 61.498impedance = Z0 * (1.001 + j0.002)
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=TFG_SIM_2x2_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.035 / 38.068impedance = Z0 * (1.055 + j0.045)
24.13GHz
74
AGRUPACIÓN 2X2 ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-20
-18
-16
-22
-14
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m4
S11
m4freq=dB(TFG_A_SIM_2X2_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,1))=-19.606
24.13GHz
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-50
-45
-55
-40
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m3
S12
m3freq=dB(TFG_A_SIM_2X2_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,2))=-43.576
24.13GHz
f req (23.50GHz to 25.00GHz)
2.500E100.198 / 121.127
m1
S11
m1freq=TFG_A_SIM_2X2_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.105 / 105.287impedance = Z0 * (0.928 + j0.189)
24.13GHz
f req (23.50GHz to 25.00GHz)
2.400E100.008 / 137.488
m2
S12
m2freq=TFG_A_SIM_2X2_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,2)=0.007 / 104.716impedance = Z0 * (0.997 + j0.013)
24.13GHz
75
AGRUPACIÓN 4X4 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-22
-8
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S11
m2freq=dB(TFG_DIS_4x4_LINEAL_18_24_125GHZ_mom_a..S(1,1))=-19.067
24.13GHz
23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 24.823.4 25.0
-52
-50
-48
-46
-44
-54
-42
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m1
S12
m1freq=dB(TFG_DIS_4x4_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2))=-52.333
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=TFG_DIS_4x4_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,2)=0.002 / -77.717impedance = Z0 * (1.001 - j0.005)
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=TFG_DIS_4x4_LINEAL_18_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.111 / -78.390impedance = Z0 * (1.021 - j0.225)
24.13GHz
76
AGRUPACIÓN 4X4 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
23.6
23.8
24.0
24.2
24.4
24.6
24.8
23.4
25.0
-14
-13
-12
-15
-11
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m2
S11
m2freq=dB(TFG_DIS_4x4_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,1))=-13.677
24.13GHz
23.6
23.8
24.0
24.2
24.4
24.6
24.8
23.4
25.0
-50
-45
-40
-55
-35
Frequency
Mag.
[dB
]
24.00G-43.49
m1
S12
m1freq=dB(TFG_DIS_4x4_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,2))=-46.233
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=TFG_DIS_4x4_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,2)=0.005 / 82.481impedance = Z0 * (1.001 + j0.010)
24.13GHz
freq (23.50GHz to 25.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=TFG_DIS_4x4_CIRCULAR_18_24_125GHZ_mom..S(1,1)=0.207 / -82.272impedance = Z0 * (0.970 - j0.416)
24.13GHz
77
SIMULACIONES EN LA BANDA DE 10.55GHZ
ANTENA LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
1.055E100.081 / -13.166
m2
S11
m2freq=PFC_SIM_1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1)=0.081 / -13.166impedance = Z0 * (1.172 - j0.044)
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Ma
g.
[dB
]
10.55G-22.40
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom_a..S(1,1))=-22.402
10.55GHz
78
ANTENA CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1))=-25.793
10.50GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m2
S11
m2freq=PFC_SIM_1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1)=0.010 / 108.349impedance = Z0 * (0.993 + j0.020)
10.55GHz
79
AGRUPACIÓN 1X1 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-30
-20
-10
-40
0
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_1X1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1))=-26.239
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-38
-36
-34
-32
-30
-40
-28
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(PFC_SIM_1X1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,2))=-29.617
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
1.038E100.399 / -147.734
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_1X1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1)=0.049 / -20.541impedance = Z0 * (1.095 - j0.038)
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_1X1_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,2)=0.033 / 115.929impedance = Z0 * (0.970 + j0.058)
10.55GHz
80
AGRUPACIÓN 1X1 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-30
-20
-10
-40
0
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m2
S11
m2freq=dB(PFC_SIM_1X1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1))=-35.477
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-35
-30
-25
-40
-20
Frequency
Mag.
[dB
]
10.00G-25.92
m1
S12
m1freq=dB(PFC_SIM_1X1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,2))=-26.108
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
1.048E100.069 / -1.285
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_1X1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom_a..S(1,1)=0.017 / 107.872impedance = Z0 * (0.989 + j0.032)
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_1X1_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,2)=0.049 / 36.043impedance = Z0 * (1.081 + j0.063)
10.55GHz
81
AGRUPACIÓN 2X2 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-16
-2
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m2
S11
m2freq=dB(PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1))=-13.640
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-60
-55
-50
-45
-65
-40
Frequency
Ma
g.
[dB
]
Readout
m3
S12
m3freq=dB(PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,2))=-44.521
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m1
S11
m1freq=PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1)=0.208 / 32.641impedance = Z0 * (1.381 + j0.324)
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,2)=0.006 / -93.654impedance = Z0 * (0.999 - j0.012)
10.55GHz
82
AGRUPACIÓN 2X2 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-25
-20
-15
-10
-30
-5
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1))=-21.644
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-80
-70
-60
-50
-40
-90
-30
Frequency
Ma
g. [d
B]
10.55G-55.86
m2
S12
m2freq=dB(PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom_a..S(1,2))=-55.864
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1)=0.083 / -132.948impedance = Z0 * (0.887 - j0.108)
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom_a..S(1,2)=0.002 / -123.577impedance = Z0 * (0.998 - j0.003)
10.55GHz
83
AGRUPACIÓN 2X2 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN LINEAL PUERTOS OPUESTOS
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-16
-2
Frequency
Ma
g. [d
B]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_P_OP_10_55_mom..S(1,1))=-13.622
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-52
-50
-48
-46
-54
-44
Frequency
Ma
g. [d
B]
Readout
m2S12
m2freq=dB(PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_P_OP_10_55_mom..S(1,2))=-44.255
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_P_OP_10_55_mom..S(1,1)=0.208 / 33.114impedance = Z0 * (1.378 + j0.328)
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_2X2_ANTENA_LINEAL_P_OP_10_55_mom..S(1,2)=0.006 / 96.781impedance = Z0 * (0.998 + j0.012)
10.55GHz
84
AGRUPACIÓN 2X2 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR PUERTOS OPUESTOS
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-25
-20
-15
-10
-30
-5
Frequency
Mag. [d
B]
Readout
m4
S11
m4freq=dB(PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_P_OP_10_55_v2_mom..S(1,1))=-21.603
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-55
-50
-45
-60
-40
Frequency
Mag. [d
B]
Readout
m3
S12
m3freq=dB(PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_P_OP_10_55_v2_mom..S(1,2))=-52.240
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m2
S11
m2freq=PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_P_OP_10_55_v2_mom..S(1,1)=0.083 / -133.565impedance = Z0 * (0.885 - j0.107)
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m1
S12
m1freq=PFC_SIM_2x2_ANTENA_CIRCULAR_P_OP_10_55_v2_mom..S(1,2)=0.007 / -73.853impedance = Z0 * (1.004 - j0.014)
10.29GHz
85
AGRUPACIÓN 4X4 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN LINEAL
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-25
-20
-15
-10
-5
-30
0
Frequency
Mag.
[dB
]
10.56G-12.85
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_4X4_ANTENA_LINEAL_10_55_mom_a..S(1,1))=-12.479
10.55GHz
10.2 10.4 10.6 10.810.0 11.0
-52
-50
-48
-46
-44
-42
-54
-40
Frequency
Mag.
[dB
]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(PFC_SIM_4X4_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,2))=-44.005
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_4X4_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,1)=0.238 / -77.534impedance = Z0 * (0.989 - j0.487)
10.55GHz
freq (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_4X4_ANTENA_LINEAL_10_55_mom..S(1,2)=0.006 / -157.931impedance = Z0 * (0.988 - j0.005)
10.55GHz
86
AGRUPACIÓN 4X4 DE ANTENAS CON POLARIZACIÓN CIRCULAR
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m4
S12
m4freq=PFC_SIM_4x4_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom_a..S(1,2)=0.017 / 33.410impedance = Z0 * (1.028 + j0.019)
10.11GHz
10
.2
10
.4
10
.6
10
.8
10
.0
11
.0
-50
-45
-40
-35
-55
-30
Frequency
Ma
g. [d
B]
Readout
m2
S12
m2freq=dB(PFC_SIM_4x4_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,2))=-45.777
10.55GHz
f req (10.00GHz to 11.00GHz)
Readout
m3
S11
m3freq=PFC_SIM_4x4_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1)=0.276 / -154.777impedance = Z0 * (0.586 - j0.149)
10.55GHz
10
.2
10
.4
10
.6
10
.8
10
.0
11
.0
-12
-10
-8
-6
-14
-4
Frequency
Ma
g. [d
B]
Readout
m1
S11
m1freq=dB(PFC_SIM_4x4_ANTENA_CIRCULAR_10_55_mom..S(1,1))=-11.167
10.55GHz
87
Anexo 4. Datasheets de Rogers Corporation
El presente anexo contiene las especificaciones o datasheets de los substratos empleados
en este proyecto. Aunque los parámetros principales ya se han ido explicando a lo largo
de la memoria, en estas páginas se puede encontrar toda la información sobre ellos.
La información ha sido extraída de la página web de Rogers, la cual la podemos encontrar
en la bibliografía.
Se debe destacar que el que más se ha utilizado en el proyecto es el RO4003c.
Advanced Circuit Materials Division
100 S. Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226
Tel: 480-961-1382 Fax: 480-961-4533
www.rogerscorp.com
Data Sheet
RO4000® Series High Frequency Circuit Materials
RO4000® hydrocarbon ceramic laminates are designed to offer superior high frequency
performance and low cost circuit fabrication. The result is a low loss material which can
be fabricated using standard epoxy/glass (FR-4) processes offered at competitive prices.
The selection of laminates typically available to designers is significantly reduced once
operational frequencies increase to 500 MHz and above. RO4000 material possesses the
properties needed by designers of RF microwave circuits and matching networks and
controlled impedance transmission lines. Low dielectric loss allows RO4000 series
material to be used in many applications where higher operating frequencies limit the
use of conventional circuit board laminates. The temperature coefficient of dielectric
constant is among the lowest of any circuit board material (Chart 1), and the dielectric
constant is stable over a broad frequency range (Chart 2). For reduced insertion loss,
LoPro™ foil is available (Chart 3). This makes it an ideal substrate for broadband
applications.
RO4000 material’s thermal coefficient of expansion (CTE) provides several key benefits
to the circuit designer. The expansion coefficient of RO4000 material is similar to that
of copper which allows the material to exhibit excellent dimensional stability, a property
needed for mixed dielectric multi-layer boards constructions. The low Z-axis CTE of
RO4000 laminates provides reliable plated through-hole quality, even in severe thermal
shock applications. RO4000 series material has a Tg of >280°C (536°F) so its expansion
characteristics remain stable over the entire range of circuit processing temperatures.
RO4000 series laminates can easily be fabricated into printed circuit boards using
standard FR-4 circuit board processing techniques. Unlike PTFE based high performance
materials, RO4000 series laminates do not require specialized via preparation processes
such as sodium etch. This material is a rigid, thermoset laminate that is capable of being
processed by automated handling systems and scrubbing equipment used for copper
surface preparation.
RO4003™ laminates are currently offered in various configurations utilizing both
1080 and 1674 glass fabric styles, with all configurations meeting the same
laminate electrical performance specification. Specifically designed as a drop-in
replacement for the RO4003C™ material, RO4350B™ laminates utilize RoHS
compliant flame-retardant technology for applications requiring UL 94V-0
certification. These materials conform to the requirements of IPC-4103, slash
sheet /10 for RO4003C and /11 for RO4350B materials.
Features and Benefits: RO4000
materials are reinforced
hydrocarbon/ceramic laminates - not PTFE
• Designed for performance
sensitive, high volume applications Low dielectric tolerance and low loss
• Excellent electrical performance
• Allows applications with higher operating frequencies
• Ideal for broadband applications
Stable electrical properties vs. frequency
• Controlled impedance
transmission lines • Repeatable design of filters
Low thermal coefficient of dielectric
constant • Excellent dimensional stability
Low Z-axis expansion
• Reliable plated through holes Low in-plane expansion coefficient
• Remains stable over an entire
range of circuit processing
temperatures
Volume manufacturing process
• RO4000 laminates can be fabricated using standard glass
epoxy processes
• Competitively priced
Some Typical Applications:
• Cellular Base Station Antennas and Power Amplifiers
• RF Identification Tags
• Automotive Radar and Sensors
• LNB’s for Direct Broadcast Satellites
Advanced Circuit Materials Division
100 S. Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226
Tel: 480-961-1382 Fax: 480-961-4533
www.rogerscorp.com
Data Sheet
Chart 1: RO4000 Series Materials Dielectric Constant vs. Temperature
Chart 2: RO4000 Series Materials Dielectric Constant vs. Frequency
Chart 3: Microstrip Insertion Loss
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Data Sheet
NOTES:
(1) The design Dk is an average number from several different tested lots of material and on the most common thickness/s. If more detailed
information is required, please contact Rogers Corporation or refer to Rogers’ technical papers in the Rogers Technology Support Hub available
at http://www.rogerscorp.com/acm/ technology.
(2) Dielectric constant typical value does not apply to 0.004” (0.101mm) laminates. Dielectric constant specification value for 0.004” RO4350B material
is 3.33 ± 0.05. (3) RO4350B LoPro™ laminates do not share the same UL designation as standard RO4350B laminates. A separate UL qualification may
be necessary.
Typical values are a representation of an average value for the population of the property. For specification values contact Rogers Corporation.
RO4000 LoPro laminate uses a modified version of the RO4000 resin system to bond reverse treated foil. Values shown above are RO4000 laminates without the addition of the LoPro resin. For double-sided boards, the LoPro foil results in a thickness increase of approximately 0.0007” (0.018m) and the Dk is approximately 2.4. The Dk decreases by about 0.1 as the core thickness decreases from 0.020” to 0.004.
Prolonged exposure in an oxidative environment may cause changes to the dielectric properties of hydrocarbon based materials. The rate of change increases at higher temperatures and is highly dependent on the circuit design. Although Rogers’ high frequency materials have been used successfully in innumerable applications and reports of oxidation resulting in performance problems are extremely rare, Rogers recommends that the customer evaluate each material and design combination to determine fitness for use over the entire life of the end product.
91
Data Sheet
Standard Thickness Standard Panel Size Standard Copper Cladding
RO4003C:
0.008” (0.203mm),
0.012 (0.305mm),
0.016”(0.406mm),
0.020” (0.508mm)
0.032” (0.813mm),
0.060” (1.524mm)
RO4350B:
*0.004” (0.101mm),
0.0066” (0.168mm)
0.010” (0.254mm),
0.0133” (0.338mm),
0.0166” (0.422mm),
0.020”(0.508mm),
0.030” (0.762mm),
0.060”(1.524mm)
Note: Material clad with LoPro foil
add 0.0007” (0.018mm) to
dielectric thickness
12” X 18” (305 X457 mm)
24” X 18” (610 X 457 mm)
24” X 36” (610 X 915 mm)
48” X 36” (1.224 m X 915 mm)
*0. 004” (0.101mm) material is
not available in panel sizes larger
than
24”x18” (610 X 457mm)
½ oz. (17μm) electrodeposited copper foil (.5ED/.5ED)
1 oz. (35μm) electrodeposited copper foil (1ED/1ED)
2 oz. (70μm) electrodeposited copper foil (2ED/2ED)
PIM Sensitive Applications:
½ oz (17μm) LoPro Reverse Treated EDC (.5TC/.5TC)
1 oz (35μm) LoPro Reverse Treated EDC (1TC/1TC)
The information in this data sheet is intended to assist you in designing with Rogers’ circuit materials. It is not intended to and
does not create any warranties express or implied, including any warranty of merchantability or fitness for a particular purpose
or that the results shown on this data sheet will be achieved by a user for a particular purpose. The user should determine
the suitability of Rogers’ circuit materials for each application.
LoPro, RO3003, RO4000, RO4003, RO4350, RO4350B, and RO4003C are licensed trademarks
of Rogers Corporation. The world runs better with Rogers. and the Rogers’ logo are licensed
trademarks of Rogers
Corporation.
© 2014 Rogers Corporation, Printed in U.S.A.
,All rights reserved. Revised 1095 091714 PUB: 92-004
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Anexo 5. Diagrama de Gantt
TAREAS A REALIZAR Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio
2nda quincena
1er quincena
2nda quincena
1er quincena
2nda quincena
1er quincena
2nda quincena
1er quincena
2nda quincena
1er quincena
2nda quincena
ELECCIÓN DE LAS BANDAS LIBRES
ELECCIÓN DEL TIPO DE ANTENA
MÉTODOS BASADOS EN DETECCIÓN POR BARRIDO EN FREECUENCIA
MÉTODOS BASADOS EN DETECCIÓN POR AMPLITUD
DISEÑO Y SIMULACIÓN EN LA BANDA DE 61 HASTA 61.5GHZ
CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS ANTENA 61.25 GHZ
DISEÑO Y SIMULACIÓN EN LA BANDA DE 24,05 HASTA 24.25GHZ
CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS ANTENA 24.05 GHZ
DISEÑO Y SIMULACIÓN EN LA BANDA DE 10,5 HASTA 10.6GHZ
CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS ANTENA 10.55 GHZ
MONTAJE DE UN PROTOTIPO DEMOSTRADOR
CONCLUSIONES
DOCUMENTACIÓN
Tabla 9.12 Diagrama de Gantt
93
Glosario
RF Radio frecuencia.
Tx Antena transmisora
Rx Antena receptora.
CW Continuous-Wave.
CW-FM Viene de las siglas de “Frequency-Modulated Continuous-Wave”, en ingles
que significa onda continua de modulación en frecuencia.
CW-PM Viene de las siglas de “Phase-Modulated Continuous-Wave”, en ingles que
significa onda continua de modulación en fase.
PIRE Viene Potencia Isotrópica Radiada Equivalente, es la cantidad de potencia que emitiría una antena isotrópica teórica para producir la densidad de potencia observada en la dirección de máxima ganancia de una antena.
PIRE= 𝑃𝑡 − 𝐿𝐶 + 𝐺𝑎
Siendo:
𝑃𝑡(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛)
𝐿𝐶(𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒)
𝐺𝑎 (𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎)
CNAF Cuadro Nacional Atribuciones de Frecuencias.
Isotrópica Se dice la potencia cuando radia exactamente igual en todas direcciones.
