AUTOR: CRISTINA SOTILLOS RIVERA
TÍTULO: «DISEÑO DE FILTROS Y DIPLEXORES DE MICROONDAS PARA 5G MEDIANTE LA RESOLUCIÓN NÚMERICA DE LAS ECUACIONES DE MAXWELL A PARTIR DE NUEVAS TÉCNICAS EFICIENTES»
INTRODUCCIÓN
El 5G está transformando la industria de la telecomunicación. La evolución de las aplicaciones inalámbricas y el continuo incremento de los dispositivos inteligentes ha llevado a unas cantidades masivas de tráfico de datos, ocasionando problemas y oportunidades a los proveedores de servicios móviles.
La pandemia que hemos vivido recientemente del COVID-19 ha demostrado ser el pionero en confirmar las necesidades en avances tecnológicos.
Las comunicaciones van a ser el pilar para el desarrollo de nuevas aplicaciones y servicios, la forma en que permanecemos conectados. Además, esto trae consigo una mayor demanda tecnológica, que a su vez exigirá mejoras en sus prestaciones. Como consecuencia, ese incremento continuo de usuarios aumenta la cantidad de información que es enviada por el enlace de radio, dando lugar a una saturación del espectro radioeléctrico. Ello ocasiona que los canales asignados para cada uno de los servicios de telecomunicación estén cada vez menos separados en frecuencia. Por tanto, la industria se ve obligada a diseñar circuitos más selectivos en frecuencia y con especificaciones eléctricas más exigentes.
Para hacer frente al problema mencionado y cubrir las necesidades de la industria, el ingeniero hará uso de software electromagnético para diseñar dispositivos de radiofrecuencia que cumplan con las especificaciones pedidas.
Sin embargo, los métodos actuales de diseño electromagnético resultan ineficientes puesto que retardan el desarrollo de los proyectos. Es por ello por lo que, en este Trabajo Fin de Grado, se ha hecho uso de un software electromagnético novedoso [1] , desarrollado por el Departamento de Matemática Aplicada a las TIC en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, que logra resultados más precisos y rápidos que los que consigue la industria actual. Gracias a la obtención de la matriz de acoplos directamente del electromagnetismo, se van a poder conseguir los resultados deseados.
DISPOSITIVOS
Los dispositivos que se han optimizado con el software mencionado se usan en estaciones base de telefonía móvil. El primero de ellos se ha llamado filtro TM1800.
Observando la imagen, la onda de señal entra por uno de los puertos y, mediante el acoplo entre
los diferentes elementos del filtro, llega a la salida cumpliendo con unas especificaciones
concretas. Estas se alcanzan modificando los parámetros relacionados con la estructura interna
del dispositivo, hasta conseguir que se transmita dicha onda en toda la banda de frecuencias
definida y refleje muy poca potencia por su entrada.
A continuación, se muestran las gráficas de la respuesta en frecuencia objetivo, la cual cumple
con las especificaciones, y la del punto de partida inicial.
En la Figura 2, la respuesta azul confirma el paso de toda la señal en la banda de frecuencias.
Puesto que se tiene un nivel muy próximo a 0dB en la banda de paso quiere decir que toda la señal que incide en el filtro sale por el puerto de salida. Por otro lado, la adaptación de la señal a la entrada del dispositivo se destaca en color rojo. Al ser 20dB la diferencia entre la onda reflejada y la incidente en la banda de paso del filtro, es muy poca potencia y no afecta apenas en la correcta transmisión de señal.
Nótese la diferencia entre las dos gráficas. Se ha partido de un punto de diseño que no está sintonizado puesto que la adaptación de la señal a la entrada no cumple la especificación de estar a un nivel inferior a los 20dB.
El proceso seguido ha sido la comparación entre matrices de acoplo, intentando aproximar la que se tenía inicialmente con una objetivo, que es la que logra la correcta sintonización del dispositivo.
MATRICES
Matriz objetivo que hace referencia al acoplo de señal de los puertos de entrada y salida con los distintos elementos del filtro:
Matriz objetivo que hace referencia al acoplo entre los distintos elementos del filtro:
Matriz del punto de diseño inicial que hace referencia al acoplo en los puertos de entrada y salida con los distintos elementos del filtro:
Matriz del punto de diseño inicial que hace referencia al acoplo entre los distintos elementos del filtro:
Para lograr la aproximación a dicha matriz objetivo, se han ido modificando los distintos
parámetros que forman el filtro hasta lograr, tras varias simulaciones electromagnéticas, el
resultado final:
DIPLEXOR
El último dispositivo que se ha sintonizado ha sido el siguiente diplexor:
Un diplexor es básicamente la unión de dos filtros. Está compuesto de tres puertas y permite la multiplexación en el dominio de la frecuencia. Sus puertos se combinan de tal forma que la señal de un extremo pueda dirigirse a dos salidas diferentes. También es capaz de combinar dos señales entrantes para tener una única en la salida.
En este proyecto, el diplexor tendrá un enfoque diferente debido a que pretende usar un canal para recepción y el otro para transmisión.
Para llevar a cabo la optimización de este dispositivo, se sigue el mismo proceso que el anterior.
En este caso, debido a la estructura de este diplexor, la matriz de acoplos es muy grande, tal y como se muestra en la siguiente página (Figura 7).
Se muestra la respuesta en frecuencia del punto de diseño inicial:
La respuesta objetivo es la siguiente:
Al tratarse de dos canales, se tienen dos bandas de frecuencias en que cada una de ellas debe cumplir con las especificaciones. La banda de frecuencias superior corresponde con el canal de transmisión y la inferior con el de recepción.
Tras comparar esta respuesta objetivo con la inicial, es notablemente apreciable que se ha partido de un punto de diseño muy lejos del óptimo.
La sintonización de este dispositivo ha sido muy costosa, puesto que la simulación del análisis electromagnético tardaba 47 minutos por cada iteración en que se cambiaba el valor de los elementos que forman dicho diplexor.
Finalmente, se consiguió la siguiente respuesta:
Se ha conseguido sintonizar el primer canal de recepción, con la excepción de que algún lóbulo de reflexión no está por debajo de los -20dB de las especificaciones. El de transmisión ha sido más complicado de sintonizar, no llegando a reducir lo suficiente la reflexión por debajo del umbral.
CONCLUSIÓN
Como conclusión, gracias al potente programa de simulación electromagnética que se basa en la resolución de las ecuaciones de Maxwell se han podido sintonizar dos dispositivos complejos, pero que se usan actualmente. Además, los resultados son bastante buenos considerando el tiempo que se ha tardado hasta lograrlos, que es mucho menor de lo que se puede permitir la industria actual.
AUTOR
CRISTINA SOTILLOS RIVERA
Tutor: Valentín de la Rubia Hernández
Diseño asistido por ordenador de dispositivos de microondas para 5G
