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GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
Estudio y diseño de un polarizador impreso conmutable para comunicaciones por satélite
en banda Ka
PABLO PASCUAL CAMPO
2016
1
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
Estudio y diseño de un polarizador impreso conmutable para comunicaciones por satélite
en banda Ka
PABLO PASCUAL CAMPO
2016
2
TÍTULO: Estudio y diseño de un polarizador impreso conmutable para comunicaciones por satélite en banda Ka
AUTOR: D. Pablo Pascual Campo
TUTOR: D. José Manuel Fernández González
DEPARTAMENTO: Departamento de señales, sistemas y radiocomunicaciones
TRIBUNAL: Presidente: D. Manuel Sierra Pérez
Vocal: D. Ignacio Esquivias Moscardó
Secretario: Dña. Belén Galocha Iragüen
Suplente: D. Ramón Martínez Rodríguez-Osorio
FECHA DE LECTURA: ___________________________
CALIFICACIÓN: ________________________________
3
Agradecimientos
En primer lugar deseo expresar mi agradecimiento al director de este trabajo de fin de
grado, Dr. José Manuel Fernández González, por la dedicación y apoyo que ha
brindado a este proyecto, por el respeto a mis sugerencias, ideas y dudas y por la
dirección y el rigor que ha facilitado a las mismas. Gracias por la confianza ofrecida
desde que llegué a este departamento.
Así mismo, agradezco a mis compañeros del Grupo de Radiación su apoyo personal y
humano, con ellos he compartido conocimientos e ilusiones durante este semestre.
Un trabajo de investigación es siempre fruto de ideas, proyectos y esfuerzos previos
que corresponden a otras personas. En este caso mi más sincero agradecimiento a
todos los profesores del Grupo de Radiación, con cuyo trabajo estaré siempre en
deuda. Gracias por su amabilidad para facilitarme su tiempo e ideas.
Gracias a mi familia, especialmente a mis padres, por darme la posibilidad de estar
estudiando en una universidad como ésta. Sin su apoyo este proyecto nunca se habría
escrito y, por eso, este trabajo es también el suyo.
A todos, muchas gracias.
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Resumen
El presente trabajo de fin de grado constituye una pequeña parte de un proyecto
consistente en el estudio y desarrollo de una antena de dimensiones reducidas en la
banda de frecuencias k-ka, instalada en aviones de tipo comercial para proporcionar
ancho de banda en conexiones y descargas de internet en vuelo.
El trabajo se centra en el estudio y diseño de un polarizador impreso conmutable que
trabaje en dichas bandas de frecuencia. Este permitirá seleccionar las dos
polarizaciones circulares posibles: polarización circular a derechas (RHCP) y
polarización circular a izquierdas (LHCP), mediante un sistema electrónico, que evitará
la necesidad de contar con la presencia constante de un operario que tenga que
manipular el sistema mecánicamente. El polarizador se colocará en la parte superior
del elemento radiante/antena receptora, para polarizar así el campo radiado/recibido
según los requerimientos deseados.
Para abordar el proyecto, se implementará el elemento con una estructura periódica
impresa de meandro, combinada con elementos activos como diodos PIN, que
permitirán modificar la estructura eléctricamente para que trabaje según lo requerido
en cada momento. Para simular y comprobar el correcto funcionamiento de este, se
usarán las herramientas software CST Studio Suite y Matlab.
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Summary
This Final Year Project is a small part of a project for the study and development of a
reduced-dimensions antenna in the frequency band k-ka, installed in commercial
aircrafts to provide bandwidth connections and Internet downloads during the flight.
The project focuses on the study and design of a switchable printed polarizer working
in these frequency bands. That will allow you to choose between the two possible
circular polarizations: circular clockwise polarization (RHCP), and circular anticlockwise
polarization (LHCP). This is achieved thanks to an electronic network that will avoid the
need for the constant presence of an operator manipulating the device mechanically.
The polarizer is placed on the top of the transmitter/receiver antenna, thereby; it will
polarize the transmitted/received field according to the desired requirements.
To tackle the project, the element will be built with a printed periodic meander line
structure, combined with active elements as PIN diodes. These lumped elements will
allow you to modify the structure electrically to make it work as required. To simulate
and verify the correct operation of the element, software tools as Matlab or CST Studio
Suite will be used.
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Palabras clave
Polarizador
Polarización conmutable
Polarización circular
Estructura de líneas de meandro
Polarización a derechas
Polarización a izquierdas
Diodos PIN
Keywords
Polarizer
Commutable polarization
Circular polarization
Meander line structure
Clockwise polarization
Anticlockwise polarization
PIN diodes
7
Acrónimos y abreviaturas
Acrónimo Significado
K Banda de frecuencias de microondas entre 18 y 26 GHz
Ka Banda de frecuencias de microondas entre 26 y 40 GHz
RA/AR Relación Axial/Axial Ratio
RHCP Right Handed Circular Polarization
LHCP Left Handed Circular Polarization
Diodo PIN Diodo P-Intrinsec-N
MEMS Micro Electro-Mechanical Systems
εr Constante dieléctrica/Permitividad relativa
μr Permeabilidad magnetic relativa
El. cond Conductividad eléctrica/Conductancia específica
tan(δ) Tangente de pérdidas
Índice
8
ÍÍÍÍndicendicendicendice
Índice ...................................................................................................... 8
Índice de figuras .................................................................................... 10
Índice de tablas ..................................................................................... 12
Capítulo 1: Introducción ........................................................................ 13
1.1 Introducción y planteamiento del problema ....................................................... 13
1.2 Objetivos generales .............................................................................................. 14
Capítulo 2: Principio de funcionamiento de una línea periódica de
meandro ............................................................................................... 16
Capítulo 3: Estudio de un modelo ya implementado ............................. 17
3.1 Modelo de Wang Ren ........................................................................................... 17
3.2 Modelo propio ...................................................................................................... 19
3.3 Resultados obtenidos ........................................................................................... 21
3.4 Estudio paramétrico de la relación axial en función de las dimensiones de la línea
.................................................................................................................................... 26
3.5 Simulación con múltiples celdas ........................................................................... 27
3.6 Comprobación del funcionamiento de la celda ................................................... 28
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura ................................. 29
4.1 Resultados obtenidos ........................................................................................... 31
4.2 Simulación con múltiples celdas ........................................................................... 32
4.3 Comparación de las pérdidas de ambas estructuras. .......................................... 33
4.2 Comprobación del funcionamiento de la celda ................................................... 34
Capítulo 5: Configuración final de la estructura y estudio del efecto
parásito ................................................................................................. 36
5.1 Configuración final de la estructura ..................................................................... 36
5.2 Efecto de los elementos parásitos ........................................................................ 38
5.2.1 Resultados de simulaciones con elementos parásitos .................................. 38
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN .......................................... 40
6.1 Estudio previo al diseño ....................................................................................... 40
6.2 Comparativa entre la estructura normal y estructura con diodos ....................... 43
Índice
9
Capítulo 7: Estructura polarizadora final ................................................ 47
7.1 Polarizador conmutable: estructura final ............................................................. 47
7.2 Polarizador conmutable: Resultados y simulaciones. Problemática del número de
diodos a utilizar .......................................................................................................... 49
7.3 Pérdidas finales de la estructura .......................................................................... 51
Capítulo 8: Conclusiones y líneas futuras ............................................... 54
Capítulo 9: Anexos ................................................................................ 56
9.1 Onda plana a 45º .................................................................................................. 56
Bibliografía ............................................................................................ 57
Índice de figuras
10
Índice de figurasÍndice de figurasÍndice de figurasÍndice de figuras
Figura 2.1: Geometría del polarizador............................................................................ 16
Figura 2.2: Campos incidente y resultante ..................................................................... 16
Figura 2.3: Modelado de las líneas de transmisión ........................................................ 16
Figura 3.1: Modelado de Wang Ren ............................................................................... 17
Figura 3.2: Dimensionado de la línea de meandro ........................................................ 18
Figura 3.3: Vistas en perspectiva, frontal y de perfil de la estructura polarizadora ...... 19
Figura 3.4: Periodicidad en eje X e Y, espacio abierto en Z ............................................ 19
Figura 3.5: Frente de ondas plano (Anexo 8.1) .............................................................. 19
Figura 3.6: Dimensiones de la línea ................................................................................ 20
Figura 3.7: Comparación de la relación axial, módulos y fases de las componentes Ex y
Ey, respectivamente ....................................................................................................... 22
Figura 3.8: Esquema de polarización circular ................................................................. 24
Figura 3.9: Gráficas comparativas según la variación paramétrica expuesta en cada
caso ................................................................................................................................. 26
Figura 3.10: Array de celdas conjuntas. Modelado realista ........................................... 27
Figura 3.11: Resultados de la simulación ....................................................................... 27
Figura 3.12: Estructura original y estructura de comprobación .................................... 28
Figura 3.13: Resultados de ambas estructuras. Se comprueba que son similares ........ 28
Figura 4.1: Vistas en perspectiva, frontal y de perfil de la estructura con foam ........... 29
Figura 4.2: Resultados de la simulación ......................................................................... 31
Figura 4.3: Array de celdas conjuntas. Modelado realista ............................................. 32
Figura 4.4: Resultados de la simulación con múltiples celdas. Modelo realista ............ 32
Figura 4.5: Comparación de las pérdidas de ambas estructuras ................................... 33
Figura 4.6: Estructura original y estructura de comprobación....................................... 34
Figura 4.7: Resultados de ambas estructuras. Se comprueba que son similares .......... 34
Figura 5.1: Configuración final de la estructura ............................................................. 36
Figura 5.2: Configuración para la implementación de diodos ....................................... 38
Figura 5.3: Simulaciones con las configuraciones indicadas en la gráfica ..................... 39
Figura 6.1: Dimensiones del diodo, expresadas en μm .................................................. 40
Figura 6.2: Modelado de los estados de conducción de los diodos PIN ........................ 40
Figura 6.3: Modelado de los diodos en la línea de meandro ......................................... 43
Figura 6.4: Estructura con dos diodos y substrato de 0.254 [mm] ................................ 44
Figura 6.5: Estructura con dos diodos y substrato de 0.125 [mm] ................................ 44
Índice de figuras
11
Figura 6.6: Estructura con tres diodos y substrato de 0.125 [mm] ................................ 45
Figura 6.7: Estructura con cuatro diodos y substrato de 0.254 [mm]............................ 45
Figura 6.8: Estructura con cuatro diodos y substrato de 0.125 [mm]............................ 46
Figura 7.1: Estructura final que toma el elemento polarizador ..................................... 47
Figura 7.2: Convergencia hacia la estructura original, según el número de diodos
utilizados ......................................................................................................................... 49
Figura 7.3: Pérdidas finales de la estructura propuesta ................................................. 51
Figura 9.1: Frente de ondas planas ................................................................................ 56
Figura 9.2: Vectores eléctrico, magnético y de propagación de un frente de onda ...... 56
Índice de tablas
12
Índice de tablasÍndice de tablasÍndice de tablasÍndice de tablas
Tabla 3.1: Dimensiones de la línea ................................................................................. 18
Tabla 3.2: Dimensiones de las líneas de nuestro modelo .............................................. 20
Tabla 3.3: Relación Axial en función de la frecuencia .................................................... 23
Tabla 4.1: Dimensiones de la estructura ........................................................................ 30
Tabla 5.1: Dimensiones de la estructura ........................................................................ 37
Tabla 6.1: Modelado del diodo para los estados ON y OFF ........................................... 40
Tabla 7.1: Dimensiones de la estructura ........................................................................ 48
Tabla 7.2: Relación Axial en función de la frecuencia .................................................... 50
Capítulo 1: Introducción
13
Capítulo 1:Capítulo 1:Capítulo 1:Capítulo 1: IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducción
1.1 I1.1 I1.1 I1.1 Introducción y ntroducción y ntroducción y ntroducción y planteamiento del problemaplanteamiento del problemaplanteamiento del problemaplanteamiento del problema
Este trabajo forma parte de un proyecto en colaboración con la empresa Telnet, en
asociación con el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid. Este
consiste en el diseño e implementación de una antena de dimensiones reducidas
instalada en aviones comerciales, destinada a proporcionar conexiones que den acceso
a internet a los usuarios durante el vuelo. Gracias a esta, se podrán hacer descargas de
contenido web en cualquier momento del trayecto.
Dentro del desarrollo de dicha antena, este trabajo se centrará en el estudio y diseño
de un polarizador impreso conmutable entre las dos polarizaciones circulares
deseadas: RHCP y LHCP. Esto será posible gracias a una red de diodos, que evitará la
necesidad de tener la presencia constante de un operario que tenga que manipular el
sistema mecánicamente. El polarizador se colocará en la parte superior de la antena en
cuestión, para polarizar el campo radiado en sentido Up-Link, así como el campo
recibido en el sentido Down-Link de la comunicación.
Actualmente no hay ningún polarizador impreso reconfigurable en el ámbito comercial
que satisfaga estas condiciones, por lo que los resultados finales del proyecto pueden
suponer un avance interesante en el ámbito de las comunicaciones.
El proyecto:
El trabajo se plantea con las siguientes fases y tareas principales de desarrollo:
- Documentación: Se recopilará información de la aplicación y de otros diseños
similares que ya hayan sido realizados.
- Fases de estudio y viabilidad: Estudio teórico detallado del polarizador simple y
conmutable. Se estudiará y simulará el polarizador de meandro simple, para así dar
paso al estudio del conmutable. Este último diseño se abordará mediante el uso de
diodos PIN. Mediante un estudio detallado del polarizador se podrán conseguir los
objetivos finales que ha de proporcionar el polarizador conmutable. Este estudio
proporcionará diferentes opciones de diseño y sus posibilidades mediante
simulaciones. Se seleccionará el simulador más adecuado.
- Fase de simulación: Se simulará el polarizador reconfigurable mediante un
simulador comercial CST Microwave Studio Suite para así poder optimizar el diseño
y detectar posibles errores o puntos críticos.
Capítulo 1: Introducción
14
1.1.1.1.2 2 2 2 Objetivos generalesObjetivos generalesObjetivos generalesObjetivos generales
El objetivo del proyecto es el diseño de un polarizador impreso conmutable, que
permita seleccionar el sentido de polarización circular más adecuado en cada
momento. Este ha de trabajar en las bandas de frecuencias de 18-20 GHz para
recepción y 28-30 GHz para transmisión.
Un requisito básico impuesto para el polarizador es que posea una relación axial
menor de 2 [dB] en la frecuencia central.
Otra especificación indispensable es el reducido tamaño de la antena final,
obligándonos a implementar un componente de dimensiones reducidas. El tamaño del
polarizador está directamente relacionado con el número de capas del mismo; esto
nos obliga a implementar un polarizador impreso con el menor número de capas
posible. En nuestro caso se abordará el diseño con un número máximo de dos capas
para cada sentido de polarización.
Por lo tanto, la estructura final del elemento constará de varias capas de substrato, con
las inserciones de cobre correspondientes que permitirán generar ambas
polarizaciones. A lo largo del trabajo, se contemplarán diferentes configuraciones con
el fin de mejorar los parámetros del elemento. Así mismo, se implementarán diversas
comprobaciones para afianzar la fiabilidad de los resultados obtenidos en cada
sección.
Estructura del documento
El presente proyecto se encuentra dividido en 9 capítulos, donde se abordan los
distintos pasos seguidos hasta alcanzar la meta y conclusión final del proyecto. Los
objetivos de cada capítulo son los siguientes:
En el primer capítulo se realiza una breve introducción y el planteamiento del
problema, así como los objetivos generales a alcanzar.
En el segundo capítulo se presenta el funcionamiento de las líneas periódicas de
meandro sobre substrato, y se muestra cómo afecta la estructura en cuestión al
sentido de polarización de las dos componentes lineales del campo eléctrico, Ex y Ey.
Con este estudio nos familiarizaremos con el comportamiento del polarizador para
poder abordar su diseño en los próximos capítulos.
En el tercer capítulo se estudia un modelo de polarizador ya realizado; se implementa
dicho modelo manualmente en el programa de simulación CST studio y se comparan
las simulaciones obtenidas con el fin de verificar si el modelo de simulación empleado
es correcto. Esto nos permitirá seguir trabajando con este modelo a lo largo de nuestro
proyecto. En este apartado se presenta el programa Matlab utilizado para post-
procesar los resultados de las simulaciones.
Capítulo 1: Introducción
15
En el cuarto capítulo se presenta una nueva estructura, a la que se ha añadido una
capa de substrato foam (espuma). Al implementar la estructura con una capa de foam
es posible reducir el grosor del substrato que teníamos anteriormente y
consecuentemente, las pérdidas finales de la estructuras se verán reducidas.
En el quinto capítulo se presenta la configuración adoptada para introducir los dos
pares de líneas de meandro, necesarias para conseguir ambas polarizaciones. En este
punto, el polarizador contendrá las dos estructuras independientes que generarán
cada polarización. La idea clave para su funcionamiento es que mientras una
estructura esté conduciendo, la otra se encontrará cortocircuitada, produciendo así
polarizaciones independientes. En esta sección también se hace un estudio del efecto
parásito que la estructura cortocircuitada producirá sobre la estructura que se
encuentra conduciendo.
En el sexto capítulo se realiza un análisis para ver el funcionamiento de los diodos PIN,
necesarios para lograr la conmutación eléctrica entre las dos polarizaciones. Se
propone el modelo de diodo a utilizar para las simulaciones y se presenta un estudio
detallado del efecto de dichos elementos sobre el campo eléctrico resultante. Este
estudio consiste en la comparación entre dos estructuras idénticas, pero una
implementada con líneas como normalmente se ha hecho y, la otra, con líneas
partidas, donde se insertan los diodos PIN. Finalmente, se estudia la viabilidad de esta
configuración y se hace una comparación entre las prestaciones y el coste económico
según los diodos PIN utilizados.
En el séptimo capítulo se presenta la estructura final que toma el polarizador. Esta
estructura contendrá todos los diodos necesarios para conseguir cada polarización.
Según la manipulación de estos (estados de conducción y corte) lograremos la
polarización deseada. Al final del capítulo se presentan gráficas correspondientes a la
Relación Axial final que obtenemos de la estructura, comentando su viabilidad
tecnológica y económica.
Finalmente, en el capítulo octavo, se presentan las conclusiones extraídas a lo largo del
trabajo. Se comenta la viabilidad tecnológica y económica del polarizador y otras
posibles alternativas para su implementación, así como sus posibles líneas futuras,
donde se presentan varias ideas para mejorar el diseño, y posibles métodos
alternativos para su implementación mediante otros dispositivos, que podrían mejorar
sus prestaciones y coste económico.
En el noveno capítulo, se presentan algunos anexos e información complementaria de
interés.
Capítulo 2: Principio de funcionamiento de una línea periódica de meandro
16
Capítulo 2:Capítulo 2:Capítulo 2:Capítulo 2: Principio de funcionamiento de una línea periódica de Principio de funcionamiento de una línea periódica de Principio de funcionamiento de una línea periódica de Principio de funcionamiento de una línea periódica de
meandromeandromeandromeandro
Un polarizador con estructura periódica de líneas de meandro es una estructura
multicapa compuesta de diferentes secciones. Cada sección está compuesta con líneas
conductoras insertadas en el substrato y separadas mediante separadores dieléctricos.
Figura 2.1: Geometría del polarizador
Cuando la estructura se alimenta con un campo incidente que forma un ángulo de 45º
respecto al eje X de la estructura, este se descompone en dos componentes de igual
módulo, pero desfasadas 90º una respecto de la otra: E|| (paralelo) y E⊥
(perpendicular), que como ya se conoce, corresponde con una polarización circular.
Esto se logra gracias al efecto producido por las líneas de meandro, estas son vistas
como una inductancia por la componente E||, y por una capacidad por la componente
E⊥. Por lo tanto, al variar los parámetros L y C, mediante el dimensionado de los
distintos parámetros de las líneas conductoras, como anchura, altura o separación, se
pueden conseguir diversos resultados.
Figura 2.2: Campos incidente y resultante
Figura 2.3: Modelado de las líneas de transmisión a
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
17
Capítulo 3: Capítulo 3: Capítulo 3: Capítulo 3: Estudio deEstudio deEstudio deEstudio de un modelo ya implementadoun modelo ya implementadoun modelo ya implementadoun modelo ya implementado
En el inicio del proyecto, se ha estudiado e implementado un modelo de polarizador
basado en líneas periódicas de meandro, ya diseñado y simulado por Wang Ren,
investigador perteneciente a la Zhejiang Gongshang University de China.
Este primer desarrollo se ha realizado con el objetivo de comprender mejor el
funcionamiento de estos elementos y de obtener una familiarización más estricta con
el principal programa de simulaciones que se utilizará: CST Microwave Studio Suite.
A continuación se detallan los desarrollos de los dos modelos y, al final del capítulo, se
mostrarán y compararán los resultados obtenidos con estos, verificado así el correcto
funcionamiento de nuestra simulación.
Posteriormente se estudia cómo el modelo podría ser optimizado, y se realiza un
estudio paramétrico para comprobar si podemos obtener alguna mejora.
3.1 Modelo de Wan3.1 Modelo de Wan3.1 Modelo de Wan3.1 Modelo de Wangggg RenRenRenRen
El elemento propuesto por Wang Ren es una estructura de líneas de meandro
impresas en un substrato que actúa como el polarizador en cuestión. Este elemento
consta de dos capas de material conductor, separadas por un substrato.
En este modelo, el polarizador es alimentado por una antena de bocina cónica que
proporciona polarización lineal, pudiéndose así verificar que, al atravesar el
componente, la polarización se torna a circular.
Figura 3.1: Modelado de Wang Ren
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
18
Los parámetros iniciales dados son:
Tabla 3.1: Dimensiones de la línea
Dimensiones [mm] Substrato
Elemento a b h w1 w2 Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica (εr)
Capa
interna 2.8 2.8 1 0.2 0.2 3 2.2
Figura 3.2: Dimensionado de la línea de meandro
Posteriormente, se presentan los resultados de este modelo y son comparados con los
obtenidos con nuestro diseño. Si estos coinciden, podemos verificar que nuestro
modelo es correcto.
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
19
3.2 Modelo propio3.2 Modelo propio3.2 Modelo propio3.2 Modelo propio
A continuación se presenta detalladamente el desarrollo seguido para la
implementación de los primeros diseños y simulaciones.
En nuestro modelo se ha reemplazado la antena de bocina cónica por un frente de
onda plana con polarización lineal girada 45º (Anexo 9.1). Para corroborar que las
polarizaciones son adecuadas, se ha hecho uso de los monitores de campo (field
monitor), que permite posicionar varios planos de medida de campo eléctrico a lo
largo del espacio.
Para construir la estructura periódica se ha implementado únicamente una celda, y se
han establecido condiciones de contorno de periodicidad a lo largo del eje X e Y (eje Z
dirección de propagación). Conseguimos así una estructura repetida hasta el infinito
(en secciones posteriores se estudiará el polarizador con un número de celdas finito).
En el eje Z se establecen condiciones de contorno de ‘espacio abierto’, lo cual es
equivalente a dejar este espacio sin ningún tipo de obstáculo.
Los materiales que se han utilizado para el diseño son:
- Cooper (anneled) para las líneas conductoras.
- Rogers RT 5880 (lossy) para el substrato (εr = 2.2).
Figura 3.3: Vistas en perspectiva, frontal y de perfil de la estructura polarizadora
Figura 3.4: Periodicidad en eje X e Y, espacio abierto en Z
Figura 3.5: Frente de ondas plano (Anexo 8.1)
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
20
Para determinar el grado de calidad de un polarizador es vital presentar la relación
axial en función de la frecuencia para ver la pureza de la polarización obtenida. Para
ello, se ha programado una función en Matlab que representa en una gráfica este
parámetro. En este programa también se incluye el cálculo de la fase entre las
componentes Ex y Ey, para corroborar que ambas se encuentran a aproximadamente
90º. Adicionalmente se comprueban los módulos de distintas componentes espaciales
para corroborar que son similares.
Las dimensiones de la línea de meandro son las mostradas en la tabla adjunta
(medidas expresadas en milímetros).
Tabla 3.2: Dimensiones de las líneas de nuestro modelo
Dimensiones de elementos parásitos [mm] Substrato
Capas l1 l2 h w1 w2 Espaciado
vertical
Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica (εr)
Capa
interna 1.2 1.2 1 0.2 0.2
1.8 3 2.2
Capa
externa 1.2 1.2 1 0.2 0.2
Figura 3.6: Dimensiones de la línea
l1
l2
w1
w2
h
Espaciado
vertical/2
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
21
3.3 Resultados obtenidos3.3 Resultados obtenidos3.3 Resultados obtenidos3.3 Resultados obtenidos
En este apartado se hace una comparación entre los resultados obtenidos en ambos
modelos. Para esto es necesario implementar un programa Matlab que se encargue
del post-procesado de las simulaciones obtenidas con CST.
a) Sentido de la polarización
Gracias a los monitores de campo del programa CST Studio, se puede obtener el
sentido y la forma de la polarización en cualquier punto del espacio. Colocando los
monitores en los puntos del espacio deseado, se observa que efectivamente la
polarización a la entrada del elemento polarizador es la proporcionada por la onda
plana (polarización lineal a 45º). Como era de esperar, a la salida de la estructura se
obtiene una polarización circular a izquierdas. Esto nos indica que el elemento está
trabajando como elemento polarizador, convirtiendo la polarización lineal a su entrada
en circular a su salida.
Comentario: En esta sección se ha comprobado únicamente la forma de la polarización
tras atravesar el elemento polarizador, para corroborar que esta corresponde a una
polarización circular. En secciones posteriores se estudiará con más detalle qué
estructuras producen polarizaciones circulares a derechas y cuáles a izquierdas.
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
22
b) Resultados numéricos
Los resultados obtenidos son muy semejantes a los presentados en el modelo, como se
detalla en la tabla 3.3 adjunta.
Los resultados más interesantes son los que se encuentran en la banda de trabajo del
sistema (28-30 [GHz]).
Figura 3.7: Comparación de la relación axial (Axial Ratio), módulos y fases de las componentes Ex y Ey, respectivamente
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
23
Los resultados anteriores expresados numéricamente son los que se presentan en la
tabla 3.3:
Tabla 3.3: Relación Axial en función de la frecuencia
Modelo implementado Modelo de Wang Ren
f = 25,00 [GHz] RA = 2.85 [dB] RA = 2.10 [dB]
f = 28,00 [GHz] RA = 0.20 [dB] RA = 0.30 [dB]
f = 28,25 [GHz] RA = 0.43 [dB] RA = 0.45 [dB]
f = 28,50 [GHz] RA = 0.47 [dB] RA = 0.60 [dB]
f = 28,75 [GHz] RA = 0.56 [dB] RA = 0.95 [dB]
f = 29,00 [GHz] RA = 0.70 [dB] RA = 1.10 [dB]
f = 29,25 [GHz] RA = 0.94 [dB] RA = 1.05 [dB]
f = 29,50 [GHz] RA = 1.24 [dB] RA = 1.00 [dB]
f = 29,75 [GHz] RA = 1.54 [dB] RA = 1.05 [dB]
f = 30,00 [GHz] RA = 1.66 [dB] RA = 1.20 [dB]
f = 35,00 [GHz] RA = 3.85 [dB] RA = 8.00 [dB]
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
24
c) Interpretación de los resultados
numéricos
1. Relación Axial de polarización: Se define la
relación axial de una onda polarizada
elípticamente, como la relación entre los ejes
mayor y menor de la elipse de polarización.
Este parámetro nos indica la pureza de
nuestra polarización.
- Si tenemos las componentes Ex y Ey, la relación axial (dB) se puede calcular
fácilmente de la manera siguiente:
Ex = ax +jbx Ey = ay +jby
20 ∗ �� �|��|
|��|� si |Ex| > |Ey|
������ =
20 ∗ �� �|��|
|��|� si |Ey| > |Ex|
- Si tenemos las componentes Copolar (CP) y Contrapolar (XP):
ERHC�θ, φ� = %
√'�Eθ�θ, φ� + jEφ�θ, φ��()*+
ELHC�θ, φ� = %
√'�Eθ�θ, φ� - jEφ�θ, φ��(*+
. = |�/01|2|�301|
|�/01|)|�301|
RA �dB� = 20*log�|r|�
- La relación de polarización circular se puede obtener de la siguiente forma:
ρ = 0 Circular izquierdas
ρ = |�/01|
|�301| 0 ≤ ρ ≤ ∞ ρ = 1 Polarización lineal
ρ = ∞ Circular derechas
Donde: r = K2%
K)% ρ = L2%
L)%
r > 0 Giro a derechas
r < 0 Giro a izquierdas
RA = 0 �dB� Polarización circular
RA = ∞ �dB� Polarización lineal
Figura 3.8: Esquema de polarización circular
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
25
2. Módulos de las componentes de campo: Idealmente estas son iguales para
conseguir una polarización circular perfecta. Experimentalmente los módulos de las
componentes Ex y Ey no difieren más del 7.1% en la banda central, por lo que se
conseguirá una polarización circular aceptable.
3. Diferencia de fases entre componentes de campo: La diferencia de fase entre
ambas componentes Ex y Ey ha de ser de 90º idealmente. En la figura 3.7 se muestra la
fase que va tomando cada componente por separado, además de la total entre las dos
componentes (diferencia de fases entre estas). Se puede apreciar que para todas las
frecuencias esta no difiere excesivamente de la requerida.
Veremos a lo largo del proyecto que según vayamos añadiendo componentes al
polarizador, necesarios para lograr que sea conmutable, estos parámetros se irán
degradando. La meta será conseguir los objetivos de conmutabilidad sin que se
produzca una degradación severa de estos.
Conclusiones de las simulaciones:
Como se puede observar en la tabla anterior, los resultados de ambas simulaciones no
difieren una cantidad excesivamente grande en la banda de trabajo del sistema.
Sabemos que los resultados del modelo con el que se ha comparado son fiables, lo que
nos permite afirmar que nuestro método de simulación funciona correctamente.
Por lo tanto, gracias a estas comparaciones con un modelo ya prediseñado, podemos
utilizar el diseño, cálculos, simulaciones y post-procesados seguidos en este punto para
el resto del proyecto, suponiendo que estas son fiables.
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
26
3.4 Estudio paramétrico de la relación axial en función de las dimensiones de la 3.4 Estudio paramétrico de la relación axial en función de las dimensiones de la 3.4 Estudio paramétrico de la relación axial en función de las dimensiones de la 3.4 Estudio paramétrico de la relación axial en función de las dimensiones de la
línealínealínealínea
Para esta estructura, se ha obtenido también un estudio paramétrico que muestra las
variaciones de la relación axial, en función de la frecuencia, al variar los distintos
parámetros y dimensiones de la estructura. Se presenta la comparación en la banda
central de trabajo:
Figura 3.9: Gráficas comparativas de la relación axial (Axial Ratio) según la variación paramétrica expuesta en cada caso (unidades expresadas en milímetros)
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
27
3.3.3.3.5555 Simulación con múltiples celdasSimulación con múltiples celdasSimulación con múltiples celdasSimulación con múltiples celdas
En esta subsección se estudia el comportamiento de la estructura con múltiples celdas
consecutivas dispuestas como sería la estructura final (figura 3.10). Estas simulaciones
se corresponden con un modelo más realista para el polarizador, ya que obviamente
en la realidad no podremos disponer de celdas infinitas. Por lo tanto, esto nos indica
que el polarizador también cumple los requisitos requeridos al reducir el número de
celdas periódicas.
Figura 3.10: Array de celdas conjuntas. Modelado realista
Finalmente, se presenta una comparación entre las relaciones axiales de la estructura
del punto 3.2 y la estructura dispuesta en array de la figura 3.10.
Figura 3.11: Comparación entre estructura de la sección 3.2 y la estructura de la figura 3.10
Si comparamos los resultados con los obtenidos anteriormente referentes a la celda
con periodicidad hasta el infinito, notamos que son prácticamente iguales. Esto nos
indica que el modelo simulado con múltiples celdas dispuestas conjuntamente
también se comporta de forma correcta.
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
frecuencia [GHz]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4AR en función de f (dB)
Normal
Celdas en Array
Capítulo 3: Estudio del diseño de Wang Ren
28
3.63.63.63.6 Comprobación del funcionamiento de la celdaComprobación del funcionamiento de la celdaComprobación del funcionamiento de la celdaComprobación del funcionamiento de la celda
En esta sección se va a simular la celda anterior, pero con los elementos posicionados
de forma diferente. La estructura final extendida periódicamente hasta el infinito es
exactamente la misma, por lo que los resultados deberían ser iguales entre ambas
estructuras. Esto nos servirá, a modo de comprobación, para verificar si los campos
eléctricos obtenidos en el espacio posterior al polarizador se comportan de la misma
manera.
Comparando los resultados de cada modelo, se puede comprobar que estos son
prácticamente iguales, por lo que podemos suponer que nuestro modelo de
simulación es correcto, y pasar así a la segunda fase, donde se añadirá una capa de
foam con el objetivo de reducir las pérdidas de la estructura al reducir el grosor del
substrato.
Figura 3.13: Resultados de las estructuras a) Normal y b) Comprobación.
Axia
l ra
tio [dB
]
Figura 3.12: a) Estructura normal. b) Estructura de comprobación.
a) b)
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
29
Capítulo 4: Capítulo 4: Capítulo 4: Capítulo 4: Incorporación de foamIncorporación de foamIncorporación de foamIncorporación de foam a la estructuraa la estructuraa la estructuraa la estructura
En esta sección del proyecto se van a estudiar las posibles mejoras obtenidas al añadir
una capa de foam (espuma) a la estructura polarizadora.
Un aspecto importante será la reducción del grosor del substrato. Como sabemos,
cuanto menos grueso sea este, menos pérdidas tendrá la estructura final. Mediante
una estructura implementada con este material se puede lograr reducir la anchura del
substrato.
Las características dieléctricas de este material son las siguientes (entre otras):
- Épsilon relativa εr = 1.07
- Tangente de pérdidas tan(δ) = 0.001
Se ha de tener en cuenta que los fabricantes de este material sólo comercializan con
grosores de 1 [mm] ó 2 [mm] (y consecuentemente cualquier combinación de estos) y,
por lo tanto, la anchura del diseño de la estructura se tiene que corresponder con uno
de estos valores (o múltiplos de los mismos).
A la hora de construir la estructura, no habrá problema en adherir la capa de foam al
substrato, ya que el comportamiento de este material es equiparable al aire, luego
aunque queden pequeñas burbujas cuando se pegue, no alterarán significativamente
el comportamiento de la estructura final.
La nueva estructura polarizadora al añadir esta capa de foam, queda de la siguiente
manera:
Figura 4.1: Vistas en perspectiva, frontal y de perfil de la estructura con foam
Al añadir este nuevo material, la estructura polarizadora ha sufrido una
desconfiguración, ya que hemos variado sus parámetros y grosores. Esto se traduce en
una degradación fuerte de la relación axial.
Su comportamiento es equiparable al
comportamiento del aire
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
30
Va a ser necesaria una reelección de los parámetros de la estructura para que su
funcionamiento se asemeje en la mayor medida posible al mostrado en el segundo
capítulo.
Las nuevas dimensiones que toman ahora los elementos de la estructura son las
mostradas en la tabla 4.1 (unidades expresadas en milímetros). Con estos parámetros
sí conseguiremos la relación axial objetivo, semejante a la obtenida en la sección
anterior.
Tabla 4.1: Dimensiones de la estructura
Dimensionado de la línea [mm] Substrato Espaciador (foam)
Capas l1 l2 h w1 w2 Alto Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica
(εr)
Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica
(εr)
Capa
interna 2.3 2.3 2.5 0.8 0.8
Ancho de
la celda 0.254 2.2 2 1.07
Capa
externa 2.3 2.3 2.5 0.8 0.8
Comentario: La altura de la estructura se ha fijado igual que su ancho, ya que
posteriormente se añadirá la línea de meandro girada 90º; al estar girada dicho
ángulo, la altura de la estructura final tendrá que ser necesariamente igual a su
anchura.
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
31
4.1 Resultados obtenidos4.1 Resultados obtenidos4.1 Resultados obtenidos4.1 Resultados obtenidos
A continuación se presentan los resultados relativos a la polarización circular
obtenidos con la nueva estructura. Podemos observar en la figura 4.2 que la Relación
Axial se degrada aproximadamente 0.2 [dB] en la banda central.
Como se verá en el punto 4.3, compensa sacrificar una pequeña degradación de la
relación axial, a cambio de reducir drásticamente las pérdidas de la estructura.
Figura 4.2: Resultados de la simulación
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
32
4.2 Simulación con múltiples celdas4.2 Simulación con múltiples celdas4.2 Simulación con múltiples celdas4.2 Simulación con múltiples celdas
Al igual que en la sección anterior, se simula un número múltiple de celdas conjuntas
para asemejar el resultado a un modelo más realista.
La estructura es como se muestra en la figura 4.3.
Figura 4.3: Array de celdas conjuntas. Modelado realista
Se presenta una comparación entre las relaciones axiales de la estructura del punto 4.1
extendida periódicamente y la estructura dispuesta en array de la figura 4.3.
Figura 4.4: Resultados de la estructura presentada en 4.1 y de la estructura mostrada en 4.3
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
33
4.3 Comparación de las pérdidas de ambas estructuras.4.3 Comparación de las pérdidas de ambas estructuras.4.3 Comparación de las pérdidas de ambas estructuras.4.3 Comparación de las pérdidas de ambas estructuras.
A continuación se presentan las gráficas comparativas correspondientes a las pérdidas
de ambas estructuras: la estructura inicial sin foam (y por tanto con un substrato más
grueso) y las de la estructura con foam (substrato más fino).
Hay que tener en cuenta que el programa CST Studio sólo considera las pérdidas
producidas debido a la estructura, ignorando las pérdidas de propagación en espacio
abierto. Luego las pérdidas mostradas serán sólo las del propio polarizador.
Como se puede comprobar, las pérdidas con esta nueva estructura se reducen en la
banda de trabajo, por lo que se adopta este modelo para los siguientes desarrollos del
polarizador.
El polarizador final contendrá varias capas de substratos, por lo que si no se
implementa con una capa de foam que permita reducir sus grosores, las pérdidas
finales podrían ser demasiado altas. Es conveniente sacrificar una pequeña
degradación de la relación axial a cambio de disminuir las pérdidas finales de la
estructura.
Figura 4.5: Comparación de las pérdidas de la estructura sin foam y estructura con foam
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
34
4.4.4.4.2 Comprobación del funcionamiento de la celda2 Comprobación del funcionamiento de la celda2 Comprobación del funcionamiento de la celda2 Comprobación del funcionamiento de la celda
Al igual que en el primer capítulo, se va a simular la estructura con otra disposición
geométrica de elementos, pero idéntica al extenderla periódicamente. Como se
mencionó anteriormente, esto nos permitirá comprobar que nuestro modelo de
simulación periódico de celda funciona correctamente.
A continuación se comparan los resultados obtenidos con cada configuración. Se
puede comprobar que efectivamente estos son similares, por lo que podemos suponer
que nuestro modelo de simulación es correcto.
Figura 4.7: Resultados de las estructuras a) Normal y b) Comprobación.
Figura 4.6: a) Estructura normal. b) estructura de comprobación.
a) b)
Capítulo 4: Incorporación de foam a la estructura
35
En el siguiente capítulo, se añadirán los dos pares de líneas de meandro necesarias
para conseguir las dos polarizaciones. Mientras las líneas que proporcionan
polarización en un sentido dado se encuentran conduciendo, las demás líneas se
encuentran cortocircuitadas. Esto producirá un inevitable elemento parásito que
perjudicará las prestaciones de la estructura. Por lo tanto, es conveniente realizar un
estudio detallado acerca del efecto del par de capas cortocircuitado sobre el par de
capas que se encuentra en conducción. Este comportamiento es detallado en la
siguiente sección del documento.
Capítulo 5: Configuración final de la estructura y estudio del efecto parásito
36
Capítulo 5: Capítulo 5: Capítulo 5: Capítulo 5: Configuración final de la estructuraConfiguración final de la estructuraConfiguración final de la estructuraConfiguración final de la estructura y estudio del efecto y estudio del efecto y estudio del efecto y estudio del efecto
parásitoparásitoparásitoparásito
En esta sección se añaden las capas de meandro necesarias para que el polarizador
ofrezca las dos polarizaciones requeridas: LHCP y RHCP.
Posteriormente se hace un estudio del efecto de las líneas parásitas sobre la estructura
que se encuentra funcionando, para acotar la degradación producida en cada caso.
5.1 5.1 5.1 5.1 Configuración final de la estructuraConfiguración final de la estructuraConfiguración final de la estructuraConfiguración final de la estructura
En este capítulo se propone la configuración final que tomará el elemento polarizador.
Dicha estructura será capaz de proporcionar las dos polarizaciones según lo requerido
por el usuario.
Para ello es necesario introducir las dos capas metálicas de cada polarizador (cuatro
capas en total, dos para conseguir LHCP y dos para conseguir RHCP). La disposición de
los elementos se colocará como muestra la figura 5.1. De esta forma, conduciendo o
cortocircuitando los pares de capas, conseguiremos la polarización requerida en cada
caso.
Esta nueva estructura contiene en la primera capa las líneas conductoras giradas 0º,
seguida del substrato. Después de este aparecerá la nueva capa de líneas girada 90º.
Posteriormente, esta capa verá el espaciador de foam. Después de este último
substrato se repite la disposición de las capas, encontrando la segunda capa
correspondiente a la línea de 0º, posteriormente el otro substrato, y finalmente la
segunda capa de las líneas de 90º.
Figura 5.1: Configuración final de la estructura
Capítulo 5: Configuración final de la estructura y estudio del efecto parásito
37
Con esta disposición, el espaciado entre las líneas conductoras (tanto a 0º como a 90º)
ha cambiado. Ahora es la longitud de un substrato (0.125 [mm]) menor. Esto se
traduce en una desconfiguración de la estructura; llevándonos a realizar una
reelección de las dimensiones y parámetros de la estructura para volver a adaptarla y
que funcione de la manera más parecida posible a la anterior.
El dimensionado final de la estructura optimizada es ahora el mostrado en la tabla 5.1
(todas las medidas expresadas en milímetros).
Tabla 5.1: Dimensiones de la estructura
Dimensionado de la línea [mm] Substrato Espaciador (foam)
Capas l1 l2 h w1 w2 Alto Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica
(εr)
Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica
(εr)
Capa
interna 2.3 2.3 2.5 0.8 0.8
Ancho
de la
celda
0.125 2.2 2 1.07
Capa
externa 2.3 2.3 2.5 0.8 0.8
Con estos parámetros se consiguen relaciones axiales suficientemente buenas en la
banda de trabajo. No obstante, cuando se añadan los elementos parásitos, la relación
axial se va a degradar de nuevo y habrá que cambiar de nuevo el dimensionado de la
estructura, de manera que los parásitos interfieran lo menos posible a la estructura
conductora.
Capítulo 5: Configuración final de la estructura y estudio del efecto parásito
38
5.2 Efecto de los elementos parásitos5.2 Efecto de los elementos parásitos5.2 Efecto de los elementos parásitos5.2 Efecto de los elementos parásitos
Un aspecto importante que ha de ser considerado a la hora del estudio de la
estructura con diodos el es efecto de los elementos parásitos.
Como se mencionó en la introducción, mientras un par de líneas se encuentre
conduciendo (diodos en ON), el otro par se encontrará cortocircuitado (diodos en
OFF). A pesar de que el meandro se encuentre en corto, los pequeños fragmentos
conductores donde irán instalados los diodos producirán un inevitable efecto parásito.
Este efecto parásito se traducirá en una degradación de las prestaciones de la
estructura final: mayor relación axial, mayores pérdidas y no homogeneidad de
diferencias de fase entre las componentes del campo eléctrico.
5.2.1 Resultados de simulaciones con elementos parásitos5.2.1 Resultados de simulaciones con elementos parásitos5.2.1 Resultados de simulaciones con elementos parásitos5.2.1 Resultados de simulaciones con elementos parásitos
La línea configurada para la instalación de los diodos toma la siguiente apariencia. Las
dimensiones de los brazos y grosores son las mostradas en tabla 5.1.
Ld representa la longitud de los diodos (detallado en 6.1), estos estarán situados
uniendo los tramos de la línea pertinentes, por lo tanto tenemos que dejar estos
espacios de separación Ld para su posterior colocación.
Ld Ld
Ld
Ld Ld = 0.4783 [mm] Largo del diodo
Figura 5.2: Configuración para la implementación de diodos
Capítulo 5: Configuración final de la estructura y estudio del efecto parásito
39
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
frecuencia [GHz]
0
5
10
15
20
25AR en función de f (dB)
Sin parásitos
Parásito capa delantera
Parásito capa trasera
Parásitos en ambas capas
Optimizada con parásitos
Las simulaciones con los elementos parásitos indicados se muestran a continuación:
Se puede apreciar cómo se va degradando la relación axial conforme añadimos los
elementos parásitos. Al estar incorporadas ambas capas parásitas, ésta llega a
empeorar 7 [dB] en la banda de trabajo. Esto nos obliga a manipular las longitudes y
dimensiones de las líneas con el objetivo de rebajar al máximo posible esta
degradación.
Finalmente se consiguen relaciones axiales de aproximadamente 1 [dB] peores que la
original en la banda de trabajo (no podremos conseguir relaciones axiales iguales o
mejores que la estructura sin parásitos).
Figura 5.3: Resultados de la relación axial (Axial Ratio) con las configuraciones indicadas en la gráfica
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
40
Capítulo 6: Capítulo 6: Capítulo 6: Capítulo 6: ImplementImplementImplementImplementación con ación con ación con ación con diodosdiodosdiodosdiodos PINPINPINPIN
6.1 6.1 6.1 6.1 Estudio previo al diseñoEstudio previo al diseñoEstudio previo al diseñoEstudio previo al diseño
a) Modelos equivalentes utilizados para los diodos
El diodo utilizado para el sistema es un Diodo PIN ALGaAs Flip-Chip, modelo
MA4AGFCP910 de la marca ‘Tyco Electronics’.
Las dimensiones de dicho elemento se muestran en la figura 6.1.
Figura 6.1: Dimensiones del diodo, expresadas en μm
Los circuitos equivalentes y modelados para los estados de conducción y corte son:
Tabla 6.1: Modelado del diodo para los estados ON y OFF
Estado Voltaje [V] R [Ω] L [nH] C [pF]
ON 1 7 0.012 - OFF 0 2000 - 0.017
a) Estado ON: b) Estado OFF:
Figura 6.2: Modelado de los estados de conducción de los diodos PIN
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
41
b) Estudio del sentido de polarización
Antes de realizar una implementación de la estructura final del diodo, será necesario
conocer con detalle el sentido de la polarización circular obtenida en función de cómo
se sitúan las líneas de meandro. Como se presenta en el capítulo 2, las componentes X
e Y del campo eléctrico se polarizarán en un sentido o en otro según la disposición de
las líneas conductoras.
Mediante CST Studio suite resulta muy sencillo obtener los sentidos de giro, gracias a la
opción animated field, que muestra de forma dinámica el sentido de la polarización.
Tras el estudio se concluye que el sentido de polarización se ve invertido al girar la
estructura 90º, indistintamente a la derecha o a la izquierda. Si se gira la estructura
180º, la polarización no varía. De forma esquemática:
Giro: 0º
Sentido polarización: izquierda
Giro: 90º
Sentido polarización: derecha
Giro: 180º
Sentido polarización: izquierda
Giro: 270º
Sentido polarización: derecha
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
42
c) Número de diodos necesarios en cada sección de la línea de meandro
Al ser las longitudes de cada semisección mucho menores que O
', será suficiente con
establecer un puente de diodos en cada brazo de la estructura.
λ = P
Q=
R�%ST
'U�%SV = 10.3 [mm]
W
' = 5.15 [mm]
Las longitudes de las semisecciones resultantes son de:
X%
'−
XZ
' =
'.R
'−
S.\]^R
' = 1.38915 [mm]
luego será suficiente con partir las líneas de esta manera.
Comentario: El grosor de los diodos es de 150 [μm]. El espacio disponible entre el
substrato y la capa de foam es el grosor de la línea metálica de cobre, es decir, 0.035
[μm]. Esto, en cambio, no presenta ningún problema, debido a que la capa de foam se
puede amoldar para que haya espacio suficiente para los diodos.
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
43
6.2 Comparativa entre la estructura normal y estructura con diodos6.2 Comparativa entre la estructura normal y estructura con diodos6.2 Comparativa entre la estructura normal y estructura con diodos6.2 Comparativa entre la estructura normal y estructura con diodos
A continuación se comparan la estructura expuesta en el punto 5.2.1 (Figura 5.1,
estructura sin parásitos) con la nueva estructura implementada con diodos (figura 6.3).
Ambas estructuras son idénticas, la única diferencia es que, en la segunda estructura,
los tramos continuos de cada brazo de la línea se han partido para poder insertar los
diodos, que se encontrarán uniendo las líneas.
Cuando estos se encuentran en estado ‘ON’, la estructura resultante es equivalente a
la estructura original. Esto nos va a permitir hallar la degradación producida al sustituir
tramos de línea convencionales por diodos.
Figura 6.3: Modelado de los diodos en la línea de meandro
Se ha realizado un estudio para comprobar el comportamiento de los diodos PIN según
la variación de unos determinados parámetros. Se ha simulado la estructura con
distinto número de diodos y distintos grosores del substrato para obtener la
degradación producida.
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
44
• Dos diodos, substrato de 0.254 [mm]:
La configuración y los resultados se muestran a continuación:
• Dos diodos, substrato de 0.125 [mm]:
La configuración y los resultados se muestran a continuación:
Comentario: Las estructuras siguientes que contienen tres y cuatro diodos son
imposibles de implementar tal y como se muestran en las ilustraciones, debido a que
el ancho de la línea no es suficiente para albergar más de dos diodos. Las ilustraciones
son meramente orientativas para entender cómo quedaría la estructura. Al final del
capítulo se explica detalladamente.
Figura 6.4: Estructura con dos diodos y substrato de 0.254 [mm]
Figura 6.5: Estructura con dos diodos y substrato de 0.125 [mm]
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
45
Axia
l ra
tio
[d
B]
• Tres diodos, substrato de 0.125 [mm]:
La configuración y los resultados se muestran a continuación:
• Cuatro diodos, substrato de 0.254 [mm]:
La configuración y los resultados se muestran a continuación:
Figura 6.6: Estructura con tres diodos y substrato de 0.125 [mm]
Figura 6.7: Estructura con cuatro diodos y substrato de 0.254 [mm]
Capítulo 6: Implementación con diodos PIN
46
Axia
l ra
tio
[d
B]
• Cuatro diodos, substrato de 0.125 [mm]:
La configuración y los resultados se muestran a continuación:
Como era de esperar, observamos que a mayor número de diodos dispuestos en la
estructura, más se asemejan los resultados a los de la estructura original. Igualmente
ocurre con el grosor del substrato; cuanto más fino sea, mejores prestaciones se
obtienen con los diodos.
En este punto hay que tener en cuenta dos factores que influyen en el número de
diodos a colocar:
a) En primer lugar, el ancho de las líneas de meandro es de 0.8 [mm], por lo que en
condiciones normales cabrían un máximo de dos diodos en cada unión. En el caso
de necesitar más elementos, se tendría que añadir una isleta que permitiera el
conexionado de los mismos. Esto implicaría un aumento del coste y complejidad
del dispositivo final.
b) En segundo lugar, hay que tener en cuenta el precio de cada diodo. Este varía
dependiendo de las unidades compradas:
- 100 unidades 2.93 €/unidad
- 500 unidades 2.707 €/unidad
En el caso de utilizar tres o más diodos en cada unión, habrá que sumar a la cantidad
total el coste añadido de colocar las isletas entre tramos de línea.
En el siguiente capítulo se presenta el polarizador final. Se mostrará su estructura y los
resultados obtenidos en las simulaciones finales para esta. Se comentará también la
viabilidad final del proyecto, tanto tecnológica como económica.
Figura 6.8: Estructura con cuatro diodos y substrato de 0.125 [mm]
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
47
Capítulo 7Capítulo 7Capítulo 7Capítulo 7: Estructura polarizadora final: Estructura polarizadora final: Estructura polarizadora final: Estructura polarizadora final
En este último capítulo de estudio y simulaciones del proyecto se presenta la
configuración y estructura del polarizador final. Esta está optimizada y lleva
incorporados todos los diodos necesarios para conseguir la conmutación entre las dos
polarizaciones. La configuración es parecida a la presentada en el capítulo 5, pero
ahora todas las líneas se encuentran partidas para la disposición de los diodos. Al final
de la sección se presenta un estudio de la viabilidad del elemento según el número de
diodos dispuestos y sus prestaciones.
7.1 Pol7.1 Pol7.1 Pol7.1 Polarizador conmutaarizador conmutaarizador conmutaarizador conmutable: estructura finalble: estructura finalble: estructura finalble: estructura final
En la figura 7.1 se presenta el elemento final que funcionará como polarizador. En este
se pueden apreciar los pares de capas 1-3 y 2-4, que producirán polarizaciones
circulares a izquierdas y derechas, respectivamente (detallado en la sección 6.1).
Figura 7.1: Estructura final que toma el elemento polarizador
Las condiciones de contorno son las mismas que las expuestas en el capítulo 3:
Periodicidad en los ejes X e Y, y espacio abierto en el eje Z, donde se situarán los
monitores de campo pertinentes.
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
48
Las dimensiones finales del elemento y de las líneas de meandro son las que se
muestran a continuación (medidas expresadas en milímetros):
Tabla 7.1: Dimensiones de la estructura
Dimensiones de las líneas [mm] Substratos Spacer (foam)
Capas l1 l2 h w1 w2 Alto Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica
(εr)
Grosor
[mm]
Constante
dieléctrica
(εr)
Capas
1-3 2.3 2.3 2.1 0.8 0.8
Ancho de
la celda 0.125 2.2 2 1.07
Capas
2-4 2.3 2.3 2.1 0.8 0.8
Todas las particiones de las líneas son de 0.4783 [mm], como se detalla en la
subsección 5.2.1.
Las características dieléctricas de los distintos elementos son las siguientes:
- Líneas de meandro: Cooper (annealed)
i) μ = 1
ii) El. Cond. = 5.8*107 [_
`]
- Substratos (idénticos):
i) εr = 2.2
ii) tan(δ) = 0.0009
- Substrato foam:
i) εr = 1.07
ii) tan(δ) = 0.001
Comentario: Si fuera necesario, el substrato foam se podría sustituir por un
espaciador.
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
49
7.2 Polarizador conmutable: Resultados y simulaciones. Problemática del número 7.2 Polarizador conmutable: Resultados y simulaciones. Problemática del número 7.2 Polarizador conmutable: Resultados y simulaciones. Problemática del número 7.2 Polarizador conmutable: Resultados y simulaciones. Problemática del número
de diodos a utilizarde diodos a utilizarde diodos a utilizarde diodos a utilizar
Con esta configuración se pueden conseguir relaciones axiales aceptables para los dos
sentidos de polarización. El problema aparece en el número necesario de diodos a
instalar.
Según el estudio realizado en la subsección 6.2, cuantos más diodos por unión
utilicemos en la estructura, mejor serán sus prestaciones. Si usamos un número bajo
de diodos, posiblemente tengamos una degradación demasiado alta que impida
alcanzar los objetivos requeridos. Pero, a su vez, hay que tener en cuenta que no
podemos utilizar muchos diodos debido al coste de los mismos; esto elevaría
sustancialmente el coste económico de la estructura final.
Figura 7.2: Convergencia hacia la estructura original de la relación axial (Axial Ratio), según el número de diodos utilizados
En la figura 7.2 se puede ver que el comportamiento de la estructura con diodos
converge con el de la estructura con las líneas originales a medida que se aumenta el
número de diodos.
Axia
l ra
tio
[d
B]
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
50
En la banda central, y para el par de capas 1-3 (LHCP), los valores que toma la Relación
Axial [dB] son los siguientes:
Tabla 7.2: Relación Axial en función de la frecuencia
Original sin diodos Con dos diodos Con cuatro diodos
f = 28,00 [GHz] RA = 0.87 [dB] RA = 2.10 [dB] RA = 1.08 [dB]
f = 28,25 [GHz] RA = 1.16 [dB] RA = 2.61 [dB] RA = 1.43 [dB]
f = 28,50 [GHz] RA = 1.47 [dB] RA = 3.15 [dB] RA = 1.78 [dB]
f = 28,75 [GHz] RA = 1.68 [dB] RA = 3.49 [dB] RA = 2.04 [dB]
f = 29,00 [GHz] RA = 1.75 [dB] RA = 3.74 [dB] RA = 2.12 [dB]
f = 29,25 [GHz] RA = 1.84 [dB] RA = 4.09 [dB] RA = 2.26 [dB]
f = 29,50 [GHz] RA = 2.11 [dB] RA = 4.61 [dB] RA = 2.59 [dB]
f = 29,75 [GHz] RA = 2.55 [dB] RA = 5.4 [dB] RA = 3.09 [dB]
f = 30,00 [GHz] RA = 2.99 [dB] RA = 6.05 [dB] RA = 3.59 [dB]
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
51
7.3 Pérdidas finales 7.3 Pérdidas finales 7.3 Pérdidas finales 7.3 Pérdidas finales de la estructurade la estructurade la estructurade la estructura
Las pérdidas finales que tendrá la estructura se muestran en la figura 7.3. Estas son las
debidas únicamente a la estructura, ya que el programa de simulación CST Studio no
considera pérdidas por propagación en espacio libre.
Figura 7.3: Pérdidas finales de la estructura propuesta
Por lo tanto los valores de las pérdidas para la banda central son aceptables para este
tipo de estructura. Esto es gracias a la reducción del grosor del substrato que hicimos
en el capítulo 4, al añadir la capa de foam.
E[V
/m]
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
52
Viabilidad tecnológica:
Con un número de diodos menor que cuatro en cada unión de cada tramo de línea, la
degradación de la relación axial en la banda de trabajo no es aceptable, esta es
superior a la requerida. Por lo tanto, el número de diodos con los que tenemos que
unir cada tramo de línea de meandro para que el polarizador sea viable
tecnológicamente es de cuatro o más para conseguir las prestaciones objetivo.
Con esta configuración es necesario instalar una pequeña isleta que albergue los
diodos, ya que su ancho es mayor que el ancho de las líneas de meandro.
De esta manera se podrán obtener las dos polarizaciones (RHCP y LHCP) con una
relación axial aproximada de 2 [dB] en la frecuencia central de la banda de trabajo.
Debajo de la estructura polarizadora se instalará otra capa controladora (no objeto de
este proyecto) que se encargará de suministrar las tensiones apropiadas a los diodos
para controlar sus estados de conducción y corte. Al combinar estos estados se
conseguirán los sentidos de polarizaciones requeridos en cada momento.
Viabilidad económica:
Como se ha mencionado anteriormente, necesitamos un número mínimo de diodos de
cuatro para que el sistema cumpla con las condiciones especificadas, pero esto es
económicamente inviable.
Con un número de cuatro diodos por unión en cada brazo de la línea de meandro,
tenemos un número total de diodos de:
- Capa 1 4·4 = 16 diodos
- Capa 2 4·4 = 16 diodos
- Capa 3 4·4 = 16 diodos
- Capa 4 4·4 = 16 diodos
La antena tiene unas dimensiones de 16λ × 16λ, es decir:
Largo × Ancho = 16 · R�%ST
'U�%SV × 16 · R�%ST
'U�%SV = 165.56 × 165.56 [mm]
Al estar cubriendo el polarizador el elemento radiante, necesitamos:
Celdas necesarias = %ab.ba�``�
a.'�``� = 26.7 = 27 27 c 27 = 729 celdas
Donde: Largo × Ancho de las celdas = 6.2 × 6.2 [mm]
Con este número total de celdas, y suponiendo un precio por diodo de 2.707 €,
obtenemos un coste final inviable para el componente.
4·16 = 64 diodos en total para una celda
Capítulo 7: Estructura polarizadora final
53
A esta cantidad se tendrá que sumar adicionalmente el coste que supone la instalación
y montaje de la isleta que alberga los diodos, así como otros costes adicionales, como
los substratos, la capa controladora y la instalación.
A modo de conclusión, el dispositivo es viable tecnológicamente, al conseguir las
relaciones axiales objetivo, pero es inviable económicamente, ya que el alto número
de diodos eleva excesivamente el coste final del dispositivo.
En la siguiente sección de conclusiones y líneas futuras se proponen ideas para mejorar
el diseño del polarizador, así como métodos alternativos para su implementación
mediante otros elementos que podrían abaratar el coste económico de la estructura y
hacerlo así viable para su comercialización.
Capítulo 8: Conclusiones y líneas futuras
54
Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 8888:::: Conclusiones y líneas futurasConclusiones y líneas futurasConclusiones y líneas futurasConclusiones y líneas futuras
Conclusiones
Una característica muy interesante con la que puede contar un polarizador es la
conmutabilidad entre polarizaciones, a fin de conseguir polarizar el campo radiado o
recibido en ambos sentidos. Esta particularidad se hace aún más interesante si
hablamos de conmutabilidad eléctrica, es decir, poder hacer este cambio simplemente
controlando tensiones, sin necesidad de contar con un operario que tenga que
manipular mecánicamente el dispositivo.
El proyecto realizado a lo largo de estos últimos meses se ha basado en implementar el
polarizador conmutable en cuestión mediante diodos PIN.
Tras la implementación de la estructura, se llega a la conclusión de que esta es viable
tecnológicamente, pero no económicamente.
Con una estructura que cuente con dos capas para conseguir cada polarización, y que
cuente con el número de diodos necesario para poder conducir las corrientes en las
líneas, se podrán conseguir relaciones axiales iguales o menores a 2 [dB] en la banda
de trabajo de este proyecto.
En cambio, con esta configuración el polarizador no es viable económicamente para
una antena de estas dimensiones. Esto es debido al gran número de diodos necesarios
para conducir las corrientes en las líneas de meandro. El problema viene al no poder
reducir dicha cantidad de diodos, ya que la relación axial se elevaría por encima de las
requeridas en la banda de trabajo.
Por lo tanto, para que el polarizador sea viable económicamente, habría que sustituir
los diodos por otro tipo de elementos más baratos, o implementarlo con una
configuración diferente. A continuación se presentan varias ideas para seguir
trabajando con este diseño, con el objetivo de que este sea viable en el ámbito
comercial.
Capítulo 8: Conclusiones y líneas futuras
55
Líneas futuras
En este último apartado del trabajo se proponen métodos alternativos con los que se
podría implementar el polarizador, para conseguir así que este sea asequible en
cuanto a coste se refiere.
Un aspecto clave es las bandas de frecuencia en las que se está trabajando. Cuanto
más baja sea esta banda, más fácil resultará la optimización del dispositivo, y se
podrán conseguir relaciones axiales menores.
Otra opción podrá ser la implementación del polarizador con un número mayor de
capas. Al implementar la estructura con más capas, la relación axial final del dispositivo
se reducirá, aunque aumentará también su tamaño y pérdidas.
Al reducirse la relación axial, tendremos un mayor margen para mejorar otras
prestaciones del elemento polarizador, como reducir el número de diodos en cada
unión, reduciendo así el coste final.
Otra posible opción sería implementar el polarizador con dispositivos conmutadores
alternativos a los diodos PIN. Es este el aspecto que hace que el coste del proyecto se
eleve, por lo que si encontramos dispositivos que resulten más baratos o que tengan
mejores prestaciones, el proyecto podría resultar viable.
Un ejemplo podría ser la implementación del dispositivo mediante MEMS de RF. Los
MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) son dispositivos de pequeñas dimensiones
compuestos por elementos activos y pasivos microfabricados, que realizan la función
de conmutadores, entre otras.
Estos dispositivos tienen ciertas ventajas interesantes para este proyecto:
- Posibilidad de fabricación masiva a bajo costo.
- Tamaño y peso reducidos.
- Consumo de energía pequeño.
Mediante un desarrollo y estudio adecuado de posibles dispositivos o configuraciones
alternativas, se podría llegar a implementar un polarizador impreso conmutable con
buenas prestaciones, así como con un coste asequible para su construcción y
comercialización.
Capítulo 9: Anexos
56
Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 9999:::: AnexosAnexosAnexosAnexos
9999.1 Onda plana a 45º.1 Onda plana a 45º.1 Onda plana a 45º.1 Onda plana a 45º En la física de propagación de ondas, especialmente aplicada a campos y ondas
electromagnéticas, una onda plana es una onda de frecuencia constante cuyos frentes
de onda son planos paralelos de amplitud y fase constante. Estas superficies se
desplazan a lo largo del espacio en una dirección dada por su vector velocidad de fase.
Figura 9.1: Frente de ondas planas
Un frente de ondas plano aparece idealmente a una distancia infinita de la fuente,
pero al situar el polarizador en la región de campo lejano de la antena, podemos
suponer el frente de ondas incidente como tal.
Para el correcto funcionamiento del polarizador, el frente de ondas ha de incidir con
un ángulo de inclinación de 45º, por lo que la onda generada se gira dicho ángulo en
una dirección arbitraria.
El vector verde representa la componente
eléctrica del frente de ondas.
El vector azul representa la componente
magnética del frente de ondas.
El vector morado representa la dirección de
propagación del frente de ondas.
Dicho frente de ondas se configura con polarización lineal a la entrada del polarizador,
proporcionando así una buena aproximación de la antena radiante que
posteriormente se situará delante de este.
Figura 9.2: Vectores eléctrico, magnético y de propagación de un frente de onda
Bibliografía
57
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