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Aplicaciones de antenas activas civiles y militares.

Julio 2010

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Índice.

•

¿Qué

consideramos antena activa?•

¿Que pueden hacer?

•

¿Para que sirven?•

¿Que tipos existen?

•

¿Como es cada tipo?•

Bases de funcionamiento.

•

Como construir cada tipo•

Ejemplos

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Introducción (I)

Antenas activas

¿Qué

consideramos antena activa?

¿Antena con amplificaciónelectrónica?

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Introducción (II)

Importancia de amplificación electrónica tras antena en cualquier radioenlace.

C/N

N= KTB

T= Ta

+ Tlna

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Introducción (III)

Antena activa:

•

Cualquiera que responda a un estímulo externo.

•

Su respuesta modifica de alguna manera las propiedades radiantes del sistema.

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Introducción (IV)

•

Estímulos (I):

•

Algunos datos de localización propia o de objetivo, no necesariamente todos.

−

Coordenadas de antena propia.−

Coordenadas de antena objetivo.−

Inclinación.−

Cabeceo.−

Giro.−

Velocidad.

Formación de haz con búsqueda de apuntamiento para ganancia máxima para antenas típicamente directivas.

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Introducción (V)•

Estímulos (II):

•

Propia naturaleza de la señal recibida (necesario que exista RX en el terminal).

−

Frecuencia.−

Ancho de banda.−

Dirección de llegada.−

Fase.−

Amplitud.−

Retardos temporales.−

Polarización−

Multi-path.−

Interferencias.

Formación de haz compleja con búsqueda de maximizar la capacidad del enlace. Típicamente para antenas directivas o flexibles.

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Construcción

de un radio-enlace.

Construcción del radio-enlace simple o complejo implica:

•Modulación clásica.• Protocolo clásico.• Codificación clásica.• Antena clásica.

¿Que ocurre cuando aparecennecesidades de flexibilidady/o protección?

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Necesidades

de flexibilidad/protección

(I).

Modulación

FDMA / TDMA / WCDMA / CDMA2000 / OFDMA

Fuerte impacto para el diseño de antenas

-BW de la antena crece.

-

Posibilidad de detección / procesado de estímulos antes de demodulacióndecrecen.

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Necesidades

de flexibilidad/protección

(II).

Protocolo.

Interleaving

/ frequency

hoping

-BW crece.

-

Problemas de calibracióny/o procesado.

-

Nada en el sistema puede ser banda estrecha

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Necesidades

de flexibilidad/protección

(III).

Tipos básicos de antenas:

- Omni

o quasi

omnidireccionales.

- Directivas.

- Flexibles.

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Necesidades

de flexibilidad/protección

(IV).Omnidireccionales:

- Solo para entornos de baja ganancia.- Capacidad de flexibilidad o protección nulas.- Reutilización de frecuencia / polarización / tiempo limitada.

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Necesidades

de flexibilidad/protección

(V).

Antenas directivas:

- Necesidad de alta ganancia.

-

Protección frente a interferencias por ángulo de incidencia.

-

Reutilización de frecuencia / polarización / tiempo por diversidad espacial.

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Necesidades

de flexibilidad/protección

(VI).

Antenas flexibles:

-

Respuesta generalmente en tiempo real de optimización de S/(N+I)

-

Protección frente a interferencias por ángulo de incidencia.

-

Reutilización de frecuencia / polarización / tiempo por diversidad espacial.

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Antenas directivas (I)

¿Por qué

usar una antena directiva?.

Aumento de ganancia y concentración de haz :

- Mayor Nº de usuarios- Terminales más pequeños.- Ahorro energético- Reutilización de frecuencia

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Antenas directivas (II)

Aumento de ganancia - Coste satélite.- Reducción BW.- Coste enlace.

Concentración de haz - Menor interferencia

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•

¿Por qué

activar una antena directiva?

Antenas directivas (III)

- Movilidad del terminal.- Movilidad del objetivo (LEO, radar, seguimiento de móviles...)- Facilidades de planificación de red:- Privacidad y node hopping.

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Antenas directivas (IV)

Movilidad

Retos para antenasfuertemente directivas:

- Alta resolución.

- Refresco de parámetros tiempo real !!!

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Antenas activas directivas (V)

Re-enrutado de tráfico

- Re-enrutado de tráfico entre nodos.- Enlaces nuevos debido a mayor despliegue de red.-Recuperación de caídas de nodos activos.-Privacidad y node –

hopping.

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Antenas directivas (VI)

Spainsat

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Antenas directivas (VII)

Arrays(ventajas en cuanto a tamaño y flexibilidad)

Parabólica(ventajas en cuanto a coste)

Bases de funcionamiento:

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Antenas activas directivas (I)

- Las antenas directivas suelen activar apuntamiento ya que intentan maximizar ganancia.

- En arrays se abre la puerta a antenas no necesariamente mecánicas para ser activas.

- Además de antenas mecánicas, se pueden hacer antenas electrónicas o hibridas.

- Azimuth, elevación y polarización son las tres variables típicas a controlar.

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Antenas activas directivas (II)

¿Cómo hacer un array?

•

Tipo de array: Pasivo, motorizado, electrónico, hibrido, polarización (seguimiento o salto)

•

Agrupación de elementos Guía de onda / Impresos−

Distancia y distribución de elementos.

•

Distribución de señal a los elementos.−

Distribución de amplitud.−

Distribución de fase.−

Polarización.−

Electrónica de amplificación / fase / control / mezcladores.

•

Integración y mecánica del mismo

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Antenas activas directivas (III)

-

Presupuesto.-

Potencia.

-

Embarcabilidad.-

Peso.

-

Tecnología-

Precisión

-

Aplicación 1.

Frecuencia

2.

Cobertura3.

Full –

Half

duplex…

MotorizadoElectrónicoHibridoDigitalAnalógicoDirectivo o flexibleEn guía de onda, substrato…

Como seleccionar el tipo de array:

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Antenas activas directivas (IV)

Distancia y distribución de los elementos.

∆∆ ≥ λ

LÓBULOS!!!

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Antenas activas directivas (V)

La aparición de lóbulos implica un incremento en las perdidas de Scan así como un mayor riesgo de incumplir normativas, si existen.

Con el objetivo de minimizar lóbulos secundarios se intenta minimizar distancia entre elementos. Esto implica:

-

Problemas de integración HW.-

Fuerte acoplo entre elementos. Degradación de diagrama aislado y

cambios de fase en scan

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Antenas activas directivas (VI)

Distribución de señal en arrays.

-

¿Equiamplitud

o no?-

¿Equifase

o no?

-

Giros de polarización.-

¿Electrónica? ¿Cuál?

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Antenas activas directivas (VII)

Equiamplitud:

-

Máxima ganancia.

-

Limitación del valor de lóbulos en arrays.

-

Distribución desigual. Permite patrones con mejores lóbulos en base a distribuciones tipo triangulares (a costa de ensanchar haz y perder ganancia).

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Antenas activas directivas (VIII)

Equifase:

-

Apuntamiento cenital.

-

Desfase lineal:Angulo de scan

(reducciones de perfil) a costa de

ganancia y ancho de haz. (apertura física)

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Antenas activas directivas (IX)

Giro de polarización:

-

Los giros de polarización en los elementos suelen permitir mejorar la polarización cruzada.

-

Su compensación es critica en distribución e impacta en el BW.

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Antenas activas directivas (X)Electrónica:¿Cuál?

-

Amplificación-

Filtrados

-

Control de fases.-

Atenuadores variables.

-

Detectores.-

PLL, mezcladores…

-

Polarizadores.

Más electrónica, mayor coste, problemas de integración, peso, temperatura, etc.

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Antenas activas directivas (XI)

Amplificación:

-

¿Cuanta?-

Donde

- NF- P1dB-

Tipo.

-

Tamaño

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Antenas activas directivas (XII)

Filtrado:

-

¿Cuanta?-

Donde

-

Tipo.-

Tamaño

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Antenas activas directivas (XIII)

Control de:

- Fase-

Amplitud

-

Detectores

Tipos: analogicos

/ digitales. Tª

y resolucion

asociada

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Antenas activas directivas (XIV)

PLL:

-

Donde ubicarlos.-Tipo a usar y

problemas asociados.

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Antenas activas directivas (XV)

Ejemplos de arrays:

X array

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Antenas activas directivas (XVI)

Ejemplos de arrays:

KU array

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Antenas activas directivas (XVII)

Ejemplos de arrays.

KU array

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Antenas activas directivas (XVIII)

L array

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Antenas activas directivas (XIX)

KU antena

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Antenas activas directivas (XX)

Ya se dispone de una antena con un elemento apropiado, una estructura de array bien dimensionado, una distribución correcta, la electrónica diseñada…

¿Cómo la activo?

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Antenas activas directivas (XXI)

Calibración. Look-up table.

Búsqueda de maximización de ganancia (al menos) con todos los elementos electrónicos / mecánicos de control que tengamos para cada posición de apuntamientos deseado.

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Antenas activas directivas (XXII)Ejemplo práctico:

-

Antena ganancia 30 dB-

Número de elementos de la antena 512

Problema:Para cada posición de azimuth:Rango de scan

20º

-

70º

Salto en scan

para calibrar 0.2º

Polarizaciones 180º, para tener buena crosspolar

cada 0.5ºVariables: atenuadores variables, phase

shifters

y polarizadores.

50/0,2 X 180/0,5 = 90.000 Posiciones Sin contar polarizador: 512 PS y 512 atenuadores variables 1024

variables.

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Antenas activas directivas (XXIII)

¿Cómo le digo a la antena donde apuntar?

Caso particular, sistemas móviles.Posicionado (GPS), actitud del móvil.Cabeceos, giros, inclinaciones, velocidad,

aceleración, etc.

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Antenas activas directivas (XXIV)

•

Cuanta mayor ganancia tenga la antena mayor precisión y velocidad de respuesta necesitara el sistema.

•

HW con respuesta rápida así

como SW en tiempo real

son necesarios.

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Antenas activas directivas (XXV)Yaw

Roll Ptich

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Antenas activas directivas (XXVI)

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Antenas activas directivas (XXVII)

Pointing

and

adquisition

tracking

(PAT)

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Antenas directivas flexibles (I)

•

En ciertas aplicaciones no es tan critica la ganancia en pico sino la flexibilidad en generar patrones de radiación diferentes.

•

Generalmente el objetivo es acomodarse a ambientes “hostiles”

por interferencia o multi-

path, maximizando así

el canal.

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Antenas directivas flexibles (II)

-

Directividad

limitada por tamaño

-

Necesidades de enviar/recibirinformacion

en varias direcciones

-

Necesidad de aprovechar multipath

-

Bloqueo de señales interferentes.

-

Aumento de canales libres.

PROCESADO

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Antenas activas flexibles (III)

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Antenas activas flexibles (IV)Para poder procesar cada elemento, estos han de ser amplificados, demodulados

y digitalizados convenientemente

(en RX).Esto implica un frontal de RF por elemento.

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Antenas activas flexibles (V)

Ganancia ~ 95 dBNF ~ 0.8 dBIF (~50 MHzdirecta a ADC8 bits)

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Antenas activas flexibles (VI)

•

Tecnicas

DBF (GSLC, DOA…):•

Temporal Reference (TRB)•

Minimum Variance (MVB)•

Hybrid Space-Time (HB)

•

En caso

de usar

CDMA 2 arquitecturas DBF son posibles:

•

Beamforming antes del desensanchado•

Beamforming despues

del desensanchado

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Antenas activas flexibles (VII)•

DBF Techniques

•

Temporal Reference (TRB): Time reference

•

Minimum Variance (MVB): Spatial reference

•

Hybrid Space-Time (HB): Space-Time reference

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Antenas activas flexibles (VIII)

Beamforming

antes de desensanchado Beamforming

tras desensanchado

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Antenas activas flexibles (IX)

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Antenas activas flexibles (X)

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Antenas activas flexibles (XI)

Modelado de canal

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Antenas activas flexibles (XI)

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Antenas activas flexibles (XII)

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Antenas activas flexibles (XIII)

Caso particular más sencillo: MIMO Wimax…

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Antenas activas flexibles (XIV)

BASE BAND

A

DLNA

A

D

I

Q

DATA

A

DLNA

A

D

I

Q

Tipico

frontal

TTI, Parque Cientifico y Tecnológico de Cantabria, nº14 - 39011 Santander (Cantabria) SPAIN. Tfno: 34 942 29 12 12 / Fax: 34 942 27 01 39 www.ttinorte.es

Antenas activas flexibles (XV)

Típico patrón

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Antenas activas flexibles (XVI)

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Antenas activas flexibles (XVII)

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Antenas activas flexibles (XVIII)

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Antenas activas flexibles (XIX)

Los arrays

basados en procesado digital, tienen un componente fuertemente matématico

SW.

Pero el SW no lo soluciona todo !!!

Problemas de limitaciones regulatorias de TX.

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Conclusion

Arrays

activos:

-

Directivos o flexibles.-

Analógicos o digitales.

Estas diferencias no existen ni están claramente definidas. Hay infinidad de hibridos.

No hay uno mejor que otro. Todo depende de la aplicación y prestaciones buscadas

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FIN¿Preguntas?