Prueba 2:
Exposición del tema
Introducción a los radiadores
activos amplificadores en
recepción
Asignatura: Laboratorio de Radiofrecuencia
1
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
2
Requisitos

El estudiante ha cursado

Microondas y Circuitos de Alta Frecuencia


Transmisión y Propagación


Diseño de amplificadores lineales de bajo ruido
Fundamentos de las antenas impresas
Sistemas y Canales de Transmisión y Electrónica
de Comunicaciones

Concepto de G/T
3
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.
4
Índice

Introducción al concepto de antenas activas



Diseño de un radiador activo en recepción




Diseño del amplificador
Elección y diseño del radiador (parche)
Diseño de la red de adaptación
Medidas



Concepto de G/T
Particularización para un radiador activo en recepción
Medida del incremento de “ganancia aparente”
Medida del mérito (G/T)
Conclusiones
5
Introducción al concepto de antenas
activas
6
Introducción al concepto de antena
activa (I)
R
d
TX
CIRC
ACOPLO
CIRC
ACOPLO
Gr(σ)
Gt
Per
PR
PT
Pdt
Lt
RX
Lr
Ruido
S/N
Frecuencia
Fórmula de Friis
Pérdidas en régimen guiado

PR  PT  G T  t ,  t   1  T
2
 eˆ  ,    eˆ  ,    4d
2
T
t
t
R
r
r
1
2

Depolarización

2
4

 G R  r ,  r   1   R
2

PIRE
Desadaptación en transmisión
Distancia
Desadaptación en recepción
7
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
Es tal que S/N> umbral que permite la extracción de la
información

¿Qué ocurre con el ruido?



Suma en potencia: N 
Incoherente
Incorrelado
Polarización aleatoria
N
i
i
P
C
RX
Na
NA
Nb
NR
8
Introducción al concepto de antena activa (III):
G/T
T 
GT  
2
4
R 
ΩR
ΩT
GR 
2
4
Fuente
emisora de B
ruido
Brillo
Friis
PR  S T   R 
PIRE
4  d
2
 R 
PT
d
2

GT
4
  R  PT 
1
d
2

T

2
 R  B 
 T  R
d
2
 B   T  R
9
Introducción al concepto de antena activa
(IV): G/T
a) Si corresponde a un manantial extenso
dP R   R  B  ,    D T  ,    d  T ; B f  ,   
PR   R  
f  f
f

4
B f  ,    D  ,    d   df 

f  f
f
Densidad espectral
de ruido
dB f  ,  
P f  df 
df

f  f
f
 R  S f  df
Densidad espectral de potencia Densidad espectral de flujo
b) Si el manantial es aparentemente puntual: Ωs=(ΩT)<<lóbulo principal de
antena receptora: Sf= Bfs Ωs
10
Introducción al concepto de antena activa
(V): G/T
Radiación de Planck (cuerpo negro)
Bf 
2 hf
c
3
2




1




 hf 
 1
 exp 
kT




Ley de Rayleigh-Jeans (cuerpo negro, f ↓)
exp  x   1  x 
Si
hf
kT
x
2
 ...  1  x
x  1
2
 1  B f 
2 kT

2
Aplicable en todo el rango de microondas;
a 300 GHz Bf(Rayleigh-Jeans)<1.03 Bf(Planck)
11
Introduction to the active antenna
concept (Brightness temperature)
Antenna with
defined polarisation
Pbb 
1
2
 R 
f  f
f
4
 f
 k T  f 
Grey body, not black

2k T

2
 D  ,    d  df 
 B f  const .
R

2
  D  ,    d   k  T   f
4
B f  B fBB    ,  , f
TB    T
Brightness temperature

Emissivity,
Function of surface state
12
Introducción al concepto de antena activa
(Temperatura de ruido de una antena): G/T
PN 
 k  f 
R

2
1
2
R
2k  f

2
 T  ,    D  ,    d  
B
4
 T  ,    D  ,    d 
B
  ....  k   f 
4
4
 D  ,    d 
4
 k TA  f
13
Introducción a las antenas activas: concepto
de G/T
C
N

C
NA  NR
 C  PIRE  G R

 N A  k TA  f
 N  k T  f
R
 R

G
G



T
 T A  TR

• Característico de la cadena de recepción completa
(tiene valor constante a lo largo de toda la cadena)
14
Hertz channels: absortion
Attenuation:
A, Tm
RX
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:
N s  k  Ts   f


A

1


 k  Tm   f   1   
A  

NS 
'
Nm
Ns

 N A  k   f   Tm

Sky temperature, Ts(θ,Φ)
TA 
''


1 
  Tr
 T 0   1 

A0  A r  A d
A
0 

TA

1 
  T0
 T 0   1 
A0  A r  A d
A0 

TA
1  T 

 1    s   k   f  T ' A
A A 


1 
  T r
  1 
A
r 


1 

  1 
A
r 


1
1 

  2 

Ar
A d 

15
Absorción en la atmósfera
16
Situación en los años 70
Prestaciones Arrays
Buenas
Malas
Sistemas
focalizantes
Apuntamiento control e.m.
N grados de libertad
Superficial
Compacto
RECONFIGURABILIDAD
Pocas pérdidas
Baja temperatura de
ruido
Lóbulos del array
Costo
Pérdidas
Apuntamiento por
geometría
Pocos grados de
libertad
Volumen, peso
Aberraciones ópticas17
G/T
Antenas activas
IDEAL
REAL
Pérdidas
óhmicas
T

RX (Fn)
RX (Fn)
X
G’, T’A
D
G, TA
G
L (todas las óhmicas)
G
G
T A  T0   Fn  1
T

G, TA
G' L
1
L
T ' A  T0   L  1  T0   Fn  1
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?
18
Antenas activas (II)
SOLUCIÓN 1
Si se puede, póngase el
receptor pegado a la antena

RX (Fn)
G1, Fn1
SOLUCIÓN 2

En un array existen niveles a, b,
c, … (por orden de prioridad)
donde poner los primeros
amplificadores
…. Gi, Fni
L
G1, Fn1
RX (Fn)
….
b
G’, T’A

a
c
G, TA
En el plano de referencia la
contribución de L al ruido total
está dividida por la ganancia del
amplificador que le precede
G
T

G'
T ' A  T0   Fn1  1 
 L  1  T0
G1
19
Conceptos clásicos de array
Array de exploración
Array de múltiples haces
20
Antenas activas (III)
Consideración:
GESTIÓN DISTRIBUIDA DE LA ENERGÍA
(múltiples receptores).
Extensión del concepto a transmisión
(múltiples transmisores)
21
Concepto de antena activa
22
Módulo de transmisión-recepción
Un módulo monolítico T/R es apropiado sólo para sistemas activos grandes
Para sistemas pequeños, es preferible una elección híbrida
23
Sistemas activos vs arrays de elementos
activos
Array de elementos activos
Sistema activo



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 autodiplexados
24
Radiadores activos

Radiadores amplificadores




Simplifica la red de conformación de haz
Todos los radiadores deben trabajar en fase
Radiadores activos con interfaz de entrada-salida IF



Nuevos conceptos de diseño
Radiadores auto-oscilantes


En recepción
En transmisión
Radiador activo mezclador
Oscilador externo
Radiador totalmente activo

Antena autodiplexada (DURO de conseguir)
25
Alternativas para sistemas de antenas
activas
Antena parcialmente
activa (RX)
Antena parcialmente
activa (TX)
Antenas semiactivas
26
Matrices activas y semiactivas
27
Clasificación de antenas activas
ANTENAS ACTIVAS
RADIADORES ACTIVOS
Parcialmente
activos
Transmisor
OL
Receptor
AMP
ARRAYS ACTIVOS
Totalmente
activos
Diplexor
externo
Arrays
semiactivos
(en TX)
Arrays quasi
convencionales
(módulos T/R)
Auto
diplexado
Interfaz
circuital
* RF
* FI
* óptica
28
Diagrama de bloques de un
radiador activo
Diagrama de bloques de una antena convencional
RF
señal
Dispos.
activo
Potencia
radiada
Línea de
transmisión
ANTENA
Diagrama de bloques de una antena activa integrada
RF
señal
Antena activa
Potencia
radiada
Dispositivo
29
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
30
Concepto de antena adaptativa
31
Sistemas adaptativos vs sistemas de
antenas activas
32
Disadv.
Adv.
Ventajas y desventajas de las antenas
impresas frente a las no impresas
IMPRESAS
NO IMPRESAS
ESTRUCTURA PLANA
BAJO PESO
FÁCIL FABRICACIÓN
BAJO COSTE
CONFORMABILIDAD
BAJAS PÉRDIDAS
FÁCIL DE MODELAR
CAPACIDAD DE POTENCIA
ALTA GANANCIA
GRAN VARIEDAD DE MODELOS
ONDAD DE SUPERFICIE
MODOS SUPERIORES
BAJA EFICIENCIA
BANDA ESTRECHA
BAJA PUREZA DE POLARIZACIÓN
PESADAS
TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN
MALAS
NO CONFORMES
DIFÍCIL DE INTEGRAR
33
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
34
Diseño de un radiador activo en
recepción
35
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.
36
Diseño de un amplificador lineal de
microondas
ZL
ZS
Red de
Adaptación
de entrada
IS
Z0

Red de
Adaptación
de salida
[S]
Zin
Z0
Zout
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)
37
Diseño de un radiador activo
amplificador en recepción
ZL
ZS
Red de
IAdaptación
S
de entrada
IS
Z0


Red de
Adaptación
de salida
[S]
Zin
Z0
Zout
Zant
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
38
Proceso de diseño
Punto de partida: elección del transistor y del radiador (parche)
• Tipo: bipolar, FET
• Configuración: EC, BC
• Clase: A, AB, B, C
Selección substrato
• Fabricante
Elección del
dispositivo
Caracterización
del dispositivo
Datos del fabricante
o caracterización propia
Tecnología
Red de
polarización
• Cálculo de impedancias: parche
• Síntesis de la red de salida
Diseño de redes
de adaptación
Medida y
ajuste
Elementos ajustables
• Selección del punto de trabajo
• Circuito DC para obtenerlo
• Red de desacoplo
• Red de polarización independiente del circuito
39
Ejemplo de aplicación:
especificaciones





Banda 3.5 GHz, anchura de banda pequeña (no es
característica limitante)
Amplificador de bajo ruido condicionalmente estable a la
frecuencia de trabajo: ATF-35143
Incremento de “ganancia aparente” con antena activa
respecto a la pasiva de 10 dB
Simulación con Libra o Microwave Office
El circuito se debe construir en Arlon 600

r
 6 , tg δ  10
3
, h  0 . 63 mm 
40
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.
 IN 


1  s 22   L
OUT 
1
 s 22
   S 
1  s11   S
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
 LC

 s11     L 

s

22
  s
s 22
2

* *
11
2
 
R LC 
s12  s 21
s 22
2
 
2
 SC
s

11
 s
s11
2

* *
22
2
 
R SC 
s12  s 21
s11
2
 
2
Determinación de la región de estabilidad
41
Diseño del amplificador: estudio de la
estabilidad
 s11ubicación
   L 
Posible

de
1
IN
1  s 22   L

s
OUT
 22
las cargas de
antena
   S 
1  s11   S
1
Amplificador potencialmente estable
Regiones estables de fuente y carga
42
Diseño del amplificador: estudio
del ruido

Circunferencias
de NF = 0.47,
0.53 0.6, 0.7,
0.8, 0.9, 1 y 1.1
dB en plano ΓS
Región de la impedancia de
ruido mínimo donde debe estar
la impedancia del parche
43
Diseño del amplificador: estudio de la
ganancia

Circunferencias de gp =
10, 12, 14, 16 y 17. 7335
dB en plano ΓL (rojo), y
sus transformadas
respectivas en plano Γ*in
(azul)
44
Diseño del amplificador: elección del
punto de trabajo

-
Se consigue:
NF =0,53 dB
Gp = 17 dB
Zant ≈ 40 + j45 
45
Diseño del radiador: requisitos
• No hay interfaz entre la antena y el amplificador
• La impedancia de la antena debe estar cercana a la del amplificador
• La antena debe ofrecer un amplio margen de impedancias:
• Antenas resonantes
¿Qué parámetro controla
la parte real de la impedancia?
La pendiente da una variación
más o menos rápida con la frecuencia
¿qué lo controla?
46
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
47
Diseño de la red de adaptación de
salida

Topología de simple stub acabado en c.a.
15.4 mm
IN
0.92 mm
OUT
0.35 mm
Simulación optimizada
con LIBRA

2.5 mm
48
Proceso de diseño
Punto de partida: elección del transistor o del parche
• Tipo: bipolar, FET
• Configuración: EC, BC
• Clase: A, AB, B, C
Selección substrato
• Fabricante
Elección del
dispositivo
Caracterización
del dispositivo
Datos del fabricante
o caracterización propia
Tecnología
Red de
polarización
• Cálculo de impedancias: parche
• Síntesis de la red de salida
Diseño de redes
de adaptación
Medida y
ajuste
Elementos ajustables
• Selección del punto de trabajo
• Circuito DC para obtenerlo
• Red de desacoplo
• Red de polarización independiente del circuito
49
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:
50
Red de polarización: aislamiento red
de polarización- red de RF
Aislamiento RF-DC:
- Bobinas de choque
(líneas de alta Z0 de /4)
acabadas en condensadores
(10 pF, 47 pF y 1 nF) a masa

VG
VD
51
Trazado físico del circuito amplificador
Punto de conexión
a antena
Red de
radiofrecuencia
Red de polarización
52
Esquema y foto de la antena activa
P a tch
T ran sistor
In su lator
G rou n d
P lan e
In p u t m atc h in g
n etw ork
53
Medidas
54
Medidas a realizar



Adaptación de la antena activa
Incremento de la “ganancia aparente”
Factor de mérito G/T
55
Medida del incremento de ganancia
aparente

Montaje para la medida:
Cámara Anecoica
Antena
Transmisora
Antena
Receptora
Analizador de
Redes
Puerto 1 Puerto 2

S 21 ( dB )  P2 ( dBm )  P1 ( dBm ) 
 P1 ( dBm )  L cable 1 ( dB )  G tx ( dB )  L espacio
_ libre
  L cable 1 ( dB )  G tx ( dB )  L espacio

( dB )  G rx ( dB )  L cable 2 ( dB )  P1 ( dBm ) 
_ libre
( dB )  G rx ( dB )  L cable 2 ( dB )
S 21 _ ACITVA ( dB )  S 21 _ PASIVA ( dB )  G rx _ ACTIVA ( dB )  G rx _ PASIVA ( dB )
 G a ( dB )  S 21 _ ACITVA ( dB )  S 21 _ PASIVA ( dB )
56
Medida de la figura de mérito G/T
Antena
auxiliar
Receptor: Te, G1
Medidor de
potencia
Dispositivo activo
a medir: Ta, G
Cámara
anecoica
57
Medida del mérito G/T (II)


Generador de potencia apagado: POFF  k Ta  Te G1 B
Generador de potencia encendido:
PON  k T a  T e G 1 B 


Llamando Y
PON
Y 
POFF

El mérito será:
G
T


G Rx G 1 S 0
4
2
G Rx S 0
 1  4
k T a  T e  B
G Rx
T a  Te
 Y  1 
kB

2
4

2
S0
Determinación de S0 => Antena receptora es antena
pasiva (de ganancia conocida, 9 dB)
S0 
4 Pr
 GS
2
58
Conclusiones



Se ha introducido el concepto de antena activa como elemento
que aumenta la figura de mérito de un sistema en recepción y
aumenta la PIRE en transmisión.
Se ha diseñado un radiador activo en recepción considerándolo
como un amplificador de cargas distintas de la característica.
Se han introducido los procesos de medida.
59
Bibliografía




Garg, Barthia, Bahl, Ittipiboon. Microstrip Antenna Handbook.
Artech House 2001
T. Itoh: Active Integrated Antennas. IEEE Press, 1999
R.E. Collin: Foundations for Microwave Engineering, Segunda
Edición 1992, Mc.Graw Hill.
V. González, D. Segovia, J.L. Vázquez, E. Rajo and C.
Martín; A Review and Classification of Active Antennas;
Applied Microwave and Wireless, pp. 74-82
60
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