Prueba 2: Exposición del tema Introducción a los radiadores activos amplificadores en recepción

1. Prueba 2: Exposición del temaIntroducción a los radiadores activos amplificadores en recepción Asignatura: Laboratorio de Radiofrecuencia

2. Objetivos • Introducción al concepto de antena activa • Aplicación al diseño y construcción de un radiador activo amplificador en recepción • Medida de la G/T de la antena activa

3. Requisitos • El estudiante ha cursado • Microondas y Circuitos de Alta Frecuencia • Diseño de amplificadores lineales de bajo ruido • Transmisión y Propagación • Fundamentos de las antenas impresas • Sistemas y Canales de Transmisión y Electrónica de Comunicaciones • Concepto de G/T

4. Planteamiento del problema • El diseño del radiador activo en recepción se plantea desde el punto de vista de una aplicación del diseño de amplificadores lineales de bajo ruido con las siguientes particularidades: • La fuente de excitación es exterior al circuito y viene constituida por la señal captada por la antena. • Sólo se debe usar (G/T óptima) una red de adaptación a la salida. • Búsqueda de la impedancia óptima de entrada.

5. Índice • Introducción al concepto de antenas activas • Concepto de G/T • Particularización para un radiador activo en recepción • Diseño de un radiador activo en recepción • Diseño del amplificador • Elección y diseño del radiador (parche) • Diseño de la red de adaptación • Medidas • Medida del incremento de “ganancia aparente” • Medida del mérito (G/T) • Conclusiones

6. Introducción al concepto de antenas activas

7. R d CIRC ACOPLO CIRC ACOPLO RX Gr(σ) Gt TX Per PR PT Pdt Ruido Lr Lt S/N Fórmula de Friis Frecuencia Pérdidas en régimen guiado Depolarización PIRE Desadaptación en transmisión Desadaptación en recepción Distancia Introducción al concepto de antena activa (I)

8. Es tal que S/N> umbral que permite la extracción de la información Suma en potencia: P C RX Na NA NR Nb Introducción al concepto de antena activa (II): G/T • En la fórmula de Friis: • Si d es el alcance del enlace PR es la señal mínima detectable • ¿Qué ocurre con el ruido? • Incoherente • Incorrelado • Polarización aleatoria

9. ΩR ΩT B Fuente emisora de ruido Brillo Friis Introducción al concepto de antena activa (III): G/T

10. Densidad espectral de ruido Densidad espectral de potencia Densidad espectral de flujo Introducción al concepto de antena activa (IV): G/T a) Si corresponde a un manantial extenso b) Si el manantial es aparentemente puntual: Ωs=(ΩT)<<lóbulo principal de antena receptora: Sf= Bfs Ωs

11. Ley de Rayleigh-Jeans (cuerpo negro, f ↓) Introducción al concepto de antena activa (V): G/T Radiación de Planck (cuerpo negro) Aplicable en todo el rango de microondas; a 300 GHz Bf(Rayleigh-Jeans)<1.03 Bf(Planck)

12. Introduction to the active antenna concept (Brightness temperature) Antenna with defined polarisation Emissivity, Function of surface state Grey body, not black Brightness temperature

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

14. Introducción a las antenas activas: concepto de G/T • Característico de la cadena de recepción completa • (tiene valor constante a lo largo de toda la cadena)

15. Sky temperature, Ts(θ,Φ) Attenuation: A, Tm NA Nm+N’s • Common absorbing means: • Atmosphere: T0, A0 • Radomes: Tr, Ar • Dielectric masts:Td, Ad If the absorbing mean occupies the whole main lobe and Ts is constant: RX Hertz channels: absortion

16. Absorción en la atmósfera

17. Situación en los años 70

18. IDEAL L (todas las óhmicas) REAL Pérdidas óhmicas RX (Fn) RX (Fn) X D G’, T’A G, TA G, TA Antenas activas 1) ¿Y si las pérdidas (L) corresponden también a la circuitería de conexión antena-receptor? 2) ¿ Y en el caso de un array donde la circuitería de alimentación de los radiadores es una parte intrínseca de la antena?

19. RX (Fn) Gi, Fni …. a …. b c L RX (Fn) G1, Fn1 G1, Fn1 G’, T’A G, TA Antenas activas (II) SOLUCIÓN 1 • Si se puede, póngase el receptor pegado a la antena • En el plano de referencia la contribución de L al ruido total está dividida por la ganancia del amplificador que le precede SOLUCIÓN 2 • En un array existen niveles a, b, c, … (por orden de prioridad) donde poner los primeros amplificadores

20. Conceptos clásicos de array Array de exploración Array de múltiples haces

21. Antenas activas (III) Consideración: GESTIÓN DISTRIBUIDA DE LA ENERGÍA (múltiples receptores). Extensión del concepto a transmisión (múltiples transmisores)

22. Concepto de antena activa

23. Módulo de transmisión-recepción Un módulo monolítico T/R es apropiado sólo para sistemas activos grandes Para sistemas pequeños, es preferible una elección híbrida

24. Un módulo activo por subarray Caracterización sencilla (medidas separadas de los radiadores y de los circuitos activos) Ahorro de diplexores Un circuito activo por radiador Alta reconfigurabilidad Permite una separación física importante entre la antena y el transceptor Se necesitan muchos diplexores, aumentando el interés en elementos auto-diplexados Sistemas activos vs arrays de elementos activos Array de elementos activos Sistema activo

25. Nuevos conceptos de diseño Radiadores activos • Radiadores amplificadores • En recepción • En transmisión • Radiadores auto-oscilantes • Simplifica la red de conformación de haz • Todos los radiadores deben trabajar en fase • Radiadores activos con interfaz de entrada-salida IF • Radiador activo mezclador • Oscilador externo • Radiador totalmente activo • Antena autodiplexada (DURO de conseguir)

26. Alternativas para sistemas de antenas activas Antena parcialmente activa (TX) Antenas semiactivas Antena parcialmente activa (RX)

27. Matrices activas y semiactivas

28. ANTENAS ACTIVAS RADIADORES ACTIVOS ARRAYS ACTIVOS Parcialmente activos Totalmente activos Arrays semiactivos (en TX) Arrays quasi convencionales (módulos T/R) Transmisor Receptor Diplexor externo Auto diplexado Interfaz circuital * RF * FI OL AMP * óptica Clasificación de antenas activas

29. Diagrama de bloques de una antena convencional RF Potencia radiada Dispos. activo Línea de transmisión señal ANTENA Diagrama de bloques de una antena activa integrada Potencia Antena activa RF radiada señal Dispositivo Diagrama de bloques de unradiador activo

30. Efectos generales de los sistemas de antenas activas • En recepción • Incremento de la figura de mérito del sistema G/T • En transmisión • Menor efecto de las pérdidas en los circuitos de control (si hay conformación de haz se realiza con baja potencia de RF o a nivel de FI) • Aumento de la PIRE del sistema • Mejor eficiencia si se utilizan dispositivos de estado sólido • Menor coste (mayor eficiencia de conversión) • Más fácil control térmico

31. Concepto de antena adaptativa

32. Sistemas adaptativos vs sistemas de antenas activas

33. Ventajas y desventajas de las antenas impresas frente a las no impresas Disadv. Adv.

34. The core concept of the array design • Good aperture efficiency interelement spacing is about elementary radiator electrical size • Interelement spacing is usually fixed by the desired beams. • In general: • Is there a radiator with this degree of freedom? CIRCULAR PATCHES

35. Diseño de un radiador activo en recepción

36. Planteamiento del problema • El diseño del radiador activo en recepción se plantea desde el punto de vista de una aplicación del diseño de amplificadores lineales de bajo ruido con las siguientes particularidades: • La fuente de excitación es exterior al circuito y viene constituida por la señal captada por la antena. • Sólo se necesita una red de adaptación a la salida. • Búsqueda de la impedancia óptima de entrada.

37. ZL Red de Adaptación de entrada ZS Red de Adaptación de salida IS Z0 [S] Zin Zout Z0 Diseño de un amplificador lineal de microondas • Objetivo: • Determinación de las impedancias de carga ZS y ZL • Características de diseño pedidas al amplificador: estabilidad, ruido , ganancia. • Desadaptación a la entrada y a la salida (desajuste entre ZS y Zin ó ZL y Zout)

38. ZL ZS Red de Adaptación de salida IS IS Z0 [S] Zin Zout Zant Z0 Diseño de un radiador activo amplificador en recepción Red de Adaptación de entrada • Similitudes: • Diseño de un amplificador de bajo ruido, estable y con las máximas ganancia y adaptación posibles • Diferencias: • La antena constituye el generador de entrada y viene caracterizado por una impedancia Zant. • La red de adaptación de entrada desaparece para reducir pérdidas y ruido • El mínimo ruido que pide el amplificador exige una impedancia que debe suministrar la antena

39. Tipo: bipolar, FET • Configuración: EC, BC • Clase: A, AB, B, C • Fabricante • Cálculo de impedancias: parche • Síntesis de la red de salida Selección substrato Diseño de redes de adaptación Red de polarización Medida y ajuste Elección del dispositivo Caracterización del dispositivo Tecnología Elementos ajustables Datos del fabricante o caracterización propia • Selección del punto de trabajo • Circuito DC para obtenerlo • Red de desacoplo • Red de polarización independiente del circuito Proceso de diseño Punto de partida: elección del transistor y del radiador (parche)

40. Ejemplo de aplicación: especificaciones • Banda 3.5 GHz, anchura de banda pequeña (no es característica limitante) • Amplificador de bajo ruido condicionalmente estable a la frecuencia de trabajo: ATF-35143 • Incremento de “ganancia aparente” con antena activa respecto a la pasiva de10 dB • Simulación con Libra o Microwave Office • El circuito se debe construir en Arlon 600

41. Concepto de estabilidad • Definición: un amplificador es estable cuando la potencia reflejada en la puerta del amplificador es menor que la potencia incidente. • Condición: el módulo del coeficiente de reflexión es menor que 1. • Objetivo: determinar las cargas ΓL (ZL) (circunferencia de estabilidad de carga) y ΓS (ZS) (circunferencia de estabilidad de fuente) que hacen que ΓIN y ΓOUT sean menores que 1. • Realización de las circunferencias de estabilidad • Determinación de la región de estabilidad

42. Posible ubicación de las cargas de antena Diseño del amplificador: estudio de la estabilidad • Amplificador potencialmente estable Regiones estables de fuente y carga

43. Región de la impedancia de ruido mínimo donde debe estar la impedancia del parche Diseño del amplificador: estudio del ruido • Circunferencias de NF = 0.47, 0.53 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1 y 1.1 dB en plano ΓS

44. Diseño del amplificador: estudio de la ganancia • Circunferencias de gp = 10, 12, 14, 16 y 17. 7335 dB en planoΓL(rojo), y sus transformadas respectivas en plano Γ*in(azul)

45. Zant ≈ 40 + j45  Diseño del amplificador: elección del punto de trabajo • Se consigue: • NF =0,53 dB • Gp = 17 dB

46. Diseño del radiador: requisitos ¿Qué parámetro controla la parte real de la impedancia? La pendiente da una variación más o menos rápida con la frecuencia ¿qué lo controla? • No hay interfaz entre la antena y el amplificador • La impedancia de la antena debe estar cercana a la del amplificador • La antena debe ofrecer un amplio margen de impedancias: • Antenas resonantes

47. Diseño del radiador: criterios • Elemento radiante: parche circular • Parámetros • Radio: parte real de la impedancia • Altura del substrato • Posición de la sonda: valor pico de la parte real y de la parte imaginaria de la impedancia • R = 1,6 cm • h = 4 mm • Sonda: 0,6 cm del centro • fres = 4,28 GHz Simulaciones

48. Diseño de la red de adaptación de salida • Topología de simple stub acabado en c.a. • Simulación optimizada con LIBRA 15.4 mm 0.92mm IN OUT 0.35 mm 2.5 mm

49. Punto de partida: elección del transistor o del parche • Tipo: bipolar, FET • Configuración: EC, BC • Clase: A, AB, B, C • Fabricante • Cálculo de impedancias: parche • Síntesis de la red de salida Selección substrato Diseño de redes de adaptación Red de polarización Medida y ajuste Elección del dispositivo Caracterización del dispositivo Tecnología Elementos ajustables Datos del fabricante o caracterización propia • Selección del punto de trabajo • Circuito DC para obtenerlo • Red de desacoplo • Red de polarización independiente del circuito Proceso de diseño

50. Red de polarización: selección del punto de trabajo • Inicialmente se eligió la topología de circuito autopolarizado => Problemas en la práctica para conseguir el punto de polarización deseado. • Por ello finalmente empleamos la siguiente topología: