u807054

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PROYECTO DE GRADO
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
por
Sebastián Celis Sierra
ANÁLISIS DE SISTEMAS UWB ENFOCADOS EN LA
CARACTERIZACIÓN DE RADAR DE GEO-PENETRACIÓN EN EL
CONTEXTO DEL DESMINADO HUMANITARIO
Sustentado el 12 de Diciembre de 2017 frente al jurado:
- Asesor: Roberto Bustamante PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
- Evaluador: Juan Carlos Bohorquez PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
A Marcelo Sierra.
Agradecimientos
A Roberto Bustamante por su constante ayuda durante el desarrollo del proyecto de Grado.
A William Romero por toda su ayuda durante el proceso de medición en la cámara anecoica de
los distintos elementos. Se agradece la colaboración de Alejandro Monroy por toda la ayuda con la
construcción de las antenas y las líneas de transmisión.
A mi madre y a mi padre por su constante apoyo.
A Angie Rosas por ser incondicional durante todo el proyecto.
A mi amigo Sebastián Pimienta por toda su ayuda durante el desarrollo de las antenas.
A Mikaela por su cálida compañía.
i
Índice general
1. Introducción 1
1.1. Descripción de la problemática y justificación del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Alcance y productos finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3.2. Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Marco teórico, conceptual e histórico 3
2.1. Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Marco Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.1. Antena Ultra Wide-Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.2. Función de Transferencia Antena UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.3. Calibración VNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.4. Sección Transversal de Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.5. Impedancia de Línea de Transmisión en Microcinta . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Marco Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Definición y especificación del trabajo 9
3.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2.1. Limitaciones de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2.2. Limitaciones de Laboratorio y Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3. Factores de Riesgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4. Metodología del trabajo 10
4.1. Plan de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2. Búsqueda de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5. Protocolo de Caracterización de Antena UWB 12
5.1. Función de Transferencia Compleja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.2. Obtención de Función de Transferencia Compleja Utilizando el Método de Tres y Dos
Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.3. Obtención de Distancia de Referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.4. Preparación de Experimento Función de Transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.4.1. Lista de Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.5. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.6. Validación HFSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6. Recomendaciones a Seguir Durante el Uso de HFSS Ansys 15
6.1. Recomendaciones durante el Diseño de la Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.1. Tipo de Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.2. Unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.3. Caja de Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.4. Coordenadas de Dibujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.5. Tipo de Barrido en Frecuencia a Evitar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.6. Cantidad de Puntos a Barrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.7. Obtener la Ganancia en Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.1.8. Tipo de Puerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1.9. Manejo de Poly-Líneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1.10. Manejo de Draw Equation Based Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1.11. Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
ii
ÍNDICE GENERAL iii
6.1.12. Evitar Curvas Abiertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1.13. Tamaño del Puerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.2. Presentación de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2.1. Esfera de Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2.2. Graficar Ganancia en Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2.3. Patrones de Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.2.4. Guardar Imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
7. Trabajo realizado 20
7.1. Small Antipodal UWB Antenna [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7.1.1. Antena con Sustrato de 1.4 mm de Espesor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7.1.2. Antena con Substrato de 1.6 mm de Espesor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.2. Función de Transferencia Small Antipodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.3. UWB Antipodal TSA using Elliptical Strip Conductors [10] . . . . . . . . . . . . . . . 29
7.4. Prueba de Puertos Utilizando Línea de Transmisión de Microcinta FR4 . . . . . . . . . 31
7.5. Prueba de Puertos Nacionales Utilizando Línea de Transmisión de Microcinta Duroid . 33
7.6. Sección Transversal de Radar de Objetos Utilizados en Minas Antipersonales . . . . . . 34
7.6.1. Botella de Pony Malta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.6.2. Botella de Vino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.6.3. Botella de Coca Cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8. Protocolo de Validación de Medición RCS 60
8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.2. Mediciones RCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.3. Base Teórica Corrección de 12 Términos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.4. Lista de Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.5. Procedimiento de Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.5.1. Calibración de Aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.5.2. Obtención de Matriz C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9. Identificación de Características Físicas de los Conectores SMA Horizontales64
10.Discusión 65
11.Conclusiones 66
12.Trabajos Futuros 67
12.1. Calibración Cámara Anecoica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
12.2. Construcción y Medición de Sección Transversal de Radar de Nuevos Objetos . . . . . . 67
12.3. Validación de Mediciones de Sección Transversal de Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
12.4. Recreación de Minas Antipersonales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Bibliografía 68
Índice de figuras
2.1. Analizador Vectorial de Redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Proceso Medición de Sección Transversal de Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Microcinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5.1. Arreglo de Dos Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.2. Cámara Anecoica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.1. Equation Based Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.2. Parámetros Adecuados para una Esfera de Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.3. Parámetros para Obtener Ganancia en Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.4. Escalar Patrón de Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.5. Escalar Patrón de Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
7.1. Small Antipodal UWB Antenna [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7.2. Small Antipodal UWB Antenna S11 h=1.4 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
7.3. Small Antipodal UWB Antenna Ganancia en Frecuencia h=1.4 mm . . . . . . . . . . . 21
7.4. Patrón de Radiación 4 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.5. Patrón de Radiación 6 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.6. Patrón de Radiación 8 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.7. Patrón de Radiación 10.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.8. Small Antipodal UWB Antenna S11 h=1.6 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.9. Small Antipodal UWB Antenna S11 h=1.6 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.10. Small Antipodal UWB Antenna Ganancia en Frecuencia h=1.6 mm . . . . . . . . . . . 23
7.11. Patrón de Radiación 4 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.12. Patrón de Radiación 6 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.13. Patrón de Radiación 8 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.14. Patrón de Radiación 10.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.15. Antena Small Antipodal Fabricada en FR4 de 1.6 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.16. Comparación de Coeficientes de Reflexión para Antenas Fabricadas . . . . . . . . . . . . 24
7.17. Patrón de Radiación 4 GHz Antena 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.18. Patrón de Radiación 6 GHz Antena 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.19. Patrón de Radiación 8 GHz Antena 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.20. Patrón de Radiación 4 GHz Antena 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.21. Patrón de Radiación 6 GHz Antena 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.22. Patrón de Radiación 8 GHz Antena 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.23. Medición Función de Transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.24. Medición Función de Transferencia de Antenas a 10 cm de Distancia . . . . . . . . . . . 27
7.25. Función de Transferencia Medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.26. Función de Transferencia Simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.27. Función de Transferencia 10 cm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.28. Función de Transferencia 41.8 cm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.29. TSA Elíptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7.30. Coeficiente Reflexión S11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.31. Ganancia en Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
7.32. Patrón de Radiación 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
7.33. Patrón de Radiación 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
7.34. Patrón de Radiación 8 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
7.35. Línea de Transmisión FR4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7.36. Medición de S11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7.37. Medición de S21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7.38. Línea de Transmisión Duroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
iv
ÍNDICE DE FIGURAS v
7.39. Medición de S11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7.40. Medición de S12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.41. Botellas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.42. Simulación de Botella de Gatorade sin Tapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.43. RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.44. RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.45. RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.46. RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.47. RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.48. RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.49. RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.50. RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.51. RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.52. RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.53. RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.54. RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.55. RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.56. RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.57. RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.58. RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.59. RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.60. RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.61. RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.62. RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.63. RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.64. RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 38
7.65. RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.66. RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.67. RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.68. RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.69. RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.70. RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.71. RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.72. RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.73. RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.74. RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.75. RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.76. RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.77. RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.78. RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.79. RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.80. RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.81. RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.82. RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.83. RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.84. RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.85. RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.86. RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.87. RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.88. RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.89. RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.90. RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
ÍNDICE DE FIGURAS vi
7.91. Simulación de Botella de Pony Malta con Jeringa de 5 mL . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.92. RCS Monostatico 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.93. RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.94. RCS Monostatico 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.95. RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.96. RCS Monostatico 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.97. RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.98. RCS Monostatico 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.99. RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.100.RCS Monostatico 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.101.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.102.RCS Monostatico 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.103.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.104.RCS Monostatico 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.105.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.106.RCS Monostatico 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.107.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.108.RCS Monostatico 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.109.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.110.RCS Monostatico 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.111.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.112.RCS Monostatico 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.113.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.114.RCS Monostatico 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.115.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.116.RCS Monostatico 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.117.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.118.RCS Monostatico 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.119.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.120.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.121.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.122.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.123.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.124.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.125.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.126.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.127.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.128.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.129.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.130.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.131.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.132.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.133.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.134.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.135.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.136.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.137.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.138.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.139.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.140.Botella de Vino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.141.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.142.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
ÍNDICE DE FIGURASvii
7.143.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.144.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.145.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.146.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.147.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.148.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.149.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.150.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.151.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.152.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.153.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.154.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.155.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.156.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.157.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.158.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.159.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.160.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.161.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.162.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.163.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.164.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.165.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.166.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.167.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.168.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.169.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.170.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.171.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.172.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.173.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.174.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.175.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.176.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.177.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.178.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.179.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.180.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.181.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.182.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.183.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.184.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.185.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.186.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.187.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.188.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.189.Botella de Coca Cola 350 ml . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.190.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.191.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.192.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.193.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.194.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
ÍNDICE DE FIGURAS viii
7.195.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.196.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.197.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.198.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.199.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.200.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.201.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.202.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.203.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.204.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.205.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.206.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.207.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.208.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.209.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.210.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.211.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.212.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.213.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.214.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.215.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.216.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.217.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.218.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.219.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.220.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.221.RCS Biestático2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.222.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.223.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.224.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.225.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.226.RCS Monostático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.227.RCS Biestático 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.228.RCS Monostático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.229.RCS Biestático 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.230.RCS Monostático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.231.RCS Biestático 2 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.232.RCS Monostático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.233.RCS Biestático 2.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.234.RCS Monostático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.235.RCS Biestático 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.236.RCS Monostático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.237.RCS Biestático 3.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.1. Bloques Esquemáticos de Medición RCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.1. Puerto Importado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.2. Puerto Nacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
12.1. Munición de AK-47 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Índice de cuadros
4.1. Plan de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
7.1. Dimensiones Antena Small Antipodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7.2. Distancias de Medición de Función de Transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.3. Dimensiones Antena [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.4. Propiedades Línea en FR4-Epoxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7.5. Propiedades Línea en Duroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
ix
1. Introducción
1.1. Descripción de la problemática y justificación del trabajo
Se estima que en 688 de los 1.101 municipios colombianos, es decir en el 62.5% existen minas antiper-
sona plantadas a lo largo del conflicto. Buscándose desminar de manera total el territorio colombiano
se ha planteado el uso de radares de geo-penetración en sus siglas en inglés GPR como una solución
para detectar suelos con artefactos explosivos. Los GPR son radares que aprovechan las cualidades
de antenas de ultra banda ancha con el fin de transmitir trenes de pulsos que penetran en el medio
de estudio, que posteriormente son reflejados y recibidos por una antena receptora, con un debido
procesamiento se podrá identificar la presencia o no de una mina antipersona. El uso sistemas de GPR
se justificado sobre los detectores de metal tradicionales usados en la detección de minas, siendo estos
equipos con la capacidad para detectar el contenido metálico de las minas y presentando un alto grado
de confiabilidad. Sin embargo, esta misma capacidad del equipo implica que en muchas ocasiones se
detecten metales que no corresponden con una mina, lo que dará como resultado en un desgaste de
tiempo y recursos tratando de extraer una falsa mina. El sistema GPR permitirá detectar con un
alto grado de confiabilidad minas antipersona enterradas en suelos de distintas propiedades electro-
magnéticas, pudiendo diferir entre las minas más utilizadas actualmente y otros objetos metálicos que
pudieran existir. La relevancia política así como el impacto global, económico, ambiental y social que
puede tener la solución planteada.
1.2. Alcance y productos finales
Distintos dispositivos UWB deberán ser estudiados tanto en simulación como en medición, verificándose
la rigurosidad del VNA y de los datos arrogados por el simulador.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Entender el funcionamiento de los sistemas Ultra Wide Band (UWB) con el fin de implementar un radar
capaz de detectar minas antipersonales; este se encargará de obtener la función transversal de radar
de distintos objetos de estudio. Se realizará un estudio riguroso de las propiedades electromagnéticas
de sistemas de antenas del tipo Vivaldi, en conjunto con las distintas variables que podrían afectar el
comportamiento electromagnético de estos dispositivos.
1.3.2. Objetivos Específicos
1. Implementar distintas antenas UWB bajo escenarios de simulación, obteniendo los siguientes
parámetros para cada caso:
a) Patrones de Radiación.
b) Coeficiente de Reflexión.
c) Ganancia en Frecuencia.
Si las características de la antena cumplen con los requerimientos de laboratorio de circuitos
impresos de la Universidad de los Andes para ser construidas, se procederá a construirlas y a
contrastar los parámetros obtenidos mediante medición en la cámara anecoica.
2. Obtener las funciones de transferencia de las distintas antenas utilizando el método explicado
en [7]. Las antenas por construir en HFSS serán usadas con el fin de posicionarlas en una caja
de radiación lo suficientemente grande para que ambas se encuentren en campo lejano para la
1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 2
frecuencia de medición. Con las antenas que se puedan construir en laboratorio de circuitos
impresos, se deberá realizar la respectiva obtención de la función de transferencia en la cámara
anecoica. Se deberá contrastar el parámetro S21 obtenido por simulación con el obtenido por
medición con VNA.
3. Entender de manera rigurosa los procesos de calibración de un sistema de radar, entendiendo la
influencia de los parámetros de dispersión sobre la sección transversal de radar (RCS) [11] .
4. Utilizando el software HFSS de Ansys, se buscará obtener la sección transversal de radar si-
mulada para distintos recipientes que podrían ser usados por grupos subversivos como minas
antipersonales.
2.Marco teórico, conceptual e histórico
2.1. Marco Teórico
Para los seres humanos, la dispersión de ondas electromagnéticas se ha convertido en una fuente
importante de información de una zona [8]. Los sensores especializados en UWB (Ultra Banda Ancha)
utilizan microondas que por lo general se encuentran en el espectro bajo de las frecuencias que van
por el orden de los GHz ( 0.3 GHz - 18 GHz). Por otra parte, estas ondas son capaces de penetrar
la mayoría de materiales no metálicos, permitiendo descubrir múltiples objetos que se encuentren
escondidos, pudiendo dar una resolución en:
Decímetros.
Centímetros.
Milímetros.
Múltiples sustancias pueden ser incluso estudiadas con el uso de estas ondas; en el caso de las moléculas
polares como el agua, se observan efectos de relajación en esta banda de frecuencias, lo que permite la
realización de una caracterización de la sustancia.
La posibilidad de poder construir un sensor con un gran ancho de banda y una alta inmunidad al
ruido, permitirá obtener distintas mediciones de objetos que serán estudiados en forma de imágenes
de radar. Además, la interacción entre ondas electromagnéticas y la materia, permite realizar una
caracterización remota no invasiva a través de las mediciones de permitividad. Por dar un ejemplo, las
siguientes áreas y actividades se han visto beneficiadas de la tecnología UWB:
Geología.
Metrología.
Control de Calidad.
Labores de Búsqueday Rescate.
Imágenes Diagnósticas.
Inspección de Edificios.
2.2. Marco Conceptual
Los elementos que integran a un sistema UWB están definidos dependiendo de las necesidades propias
de un problema en específico. Para este caso en específico, se operará en el rango de frecuencias que
va desde 1 GHz hasta los 10.5 GHz, analizándose las distintas respuestas de los dispositivos en este
rango de frecuencias.
2.2.1. Antena Ultra Wide-Band
Las antenas son componentes que permiten la recepción y el envío de ondas electromagnéticas, entre
el espacio y un dispositivo. Una antena Ultra Wide Band dice que es una antena no resonante cuya
impedancia de entrada se mantiene constante en una amplia banda de frecuencia de operación.
En el estudio y diseño de antenas existen varios parámetros que se deben estudiar para una buena
caracterización. Entre los parámetros más importantes para la caracterización de una antena se tienen:
Ancho de Banda.
Patrón de Radiación.
3
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 4
Ganancia de la Antena.
Directividad de la Antena.
Las aplicaciones de antenas UWB son variadas entre ellas están:
Radares de Penetración de Suelos.
Comunicaciones de Radio.
Señales y Comunicación Inteligente.
Radares de Pulsos.
Análisis de Espectro.
Patrón de Radiación
El patrón de radiación de una antena, está definido como [2] üna representación gráfica de las pro-
piedades de radiación de una antena en función de unas coordenadas espaciales". La obtención del
patrón de radiación se realiza en el campo lejano, siendo representado en función de unas coordenadas
direccionales. Las propiedades de radiación de una antena incluyen:
La potencia de flujo.
Intensidad del Campo.
Directividad.
Polarización.
Regiones de Campo Eléctrico
El espacio que rodea a una antena, usualmente se divide en tres regiones [2]:
1. Campo cercano reactivo.
2. Campo cercano radiante.
3. Campo lejano.
Cada una de estas regiones es identificada a partir de la estructura que toma el campo en cada una de
ellas.
Campo Cercano Reactivo Se reconoce como el campo que se encuentra rodeando a la antena
de manera inmediata. Para la mayoría de las antenas, este campo comúnmente existente en R <
0,62
√
D3/λ.
Campo Cercano Radiante Este campo es la región del espacio que se encuentra entre el campo
cercano reactivo y el campo lejano, en donde predomina el campo radiante y donde la distribución
angular depende de la distancia entre el punto del espacio y la antena. Este campo por lo general se
encuentra entre 0,62
√
D3/λ ≤ R < 2D2/λ.
Campo Lejano Esta región se define como la zona en donde la distribución angular de campo es
independiente de la distancia entre el punto en el espacio y la antena. Si la antena tiene una dimensión
máxima denominada como D, el campo lejano se encontrará por lo general, a distancias superiores a
2D2/λ.
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 5
Directividad
En la versión de 1983 de ÏEEE Standard Definitions of Terms for Antennas"[2] se cambia sustancial-
mente la definición de directividad que se tenía desde 1973. La directividad de una antena se definirá
como la razón entre la intensidad de radiación en una dirección y el promedio de las intensidad de
radiación en todas las direcciones. De forma matemática, la directividad se expresará como:
D = U
U0
= 4πU
Prad
D=Directividad (adimensional).
U= Intensidad de Radiación (W/ unidad de ángulo).
U0= Intensidad de Radiación de una fuente is otrópica (W/ unidad de ángulo).
Prad= Potencia total irradiada (W).
Ganancia
La ganancia de una antena se define [2] como la razón entre la intensidad de radiación en una dirección
y la intensidad de radiación que podría ser obtenida si la potencia aceptada por la antena fuese radiada
isotrópicamente.
G = 4πU(θ, φ)
Pin
G= Ganancia (adimensional).
Pin= Potencia Total de entrada.
Polarización
Las componentes en x y y de los campos eléctricos de una onda viajera en la dirección z positiva están
dados por
Ex = E1sin(ωt− kz)Ey = E2sin(ωt− kz + δ)
donde k = 2πλ, ω es la frecuencia angular, δ es el desfase, y finalmente E1 y E2, las amplitudes de la
onda en las direcciones x y y respectivamente.
Cuando E1 = 0, se dice que la onda está linealmente polarizada en la dirección y, caso contrario
cuando E2 = 0. Cuando E1 = E2 y δ = 90◦, se dice que la onda tiene una polarización circular hacia
la izquierda, mientras que si δ = 90◦, la polarización será circular a la derecha.
Ancho de Banda
El ancho de banda se define como el rango de frecuencias donde una antena opera dependiendo de sus
características físicas [2].
2.2.2. Función de Transferencia Antena UWB
La caracterización experimental de antenas UWB puede en muchos casos ser realizada utilizando me-
didas en el dominio de la frecuencia, combinando la aplicación de transformadas integrales y sistemas
lineares invariantes en el tiempo. Se utilizará un modelo teórico con el fin de obtener la función de
transferencia de antenas idénticas. Después de obtener la función de transferencia de las antenas, las
técnicas utilizadas para sistemas lineales invariantes en el tiempo pueden ser utilizadas como se gusten.
El sistema descriptor de una antena es el vector complejo de longitud efectiva heff , que es un indicativo
del voltaje de circuito abierto en el puerto de salida de una antena en términos del campo incidente:
VOC(ω) = −
−−→
Einc(θRX , φRX , ω) ·
−−→
heff (θRX , φRX , ω)
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 6
Utilizando las propiedades del vector de longitud efectiva se puede obtener la función de transferencia
de la antena, dada por la siguiente expresión:
−→
H (θ, φ, ω) =
√
η0Z0
Z0 + ZA
·
−→
h eff (θRX , φRX , ω)
En términos de la función de transferencia, el parámetro de puerto a puerto S21 entre las dos antenas
es:
S21(ω) = jω
−→
HTX(ω) ·
−→
HRX(ω)
e−jkR
2πRc0
Siendo −→HTX(ω) y
−→
HRX(ω) las funciones de transferencia de las antenas transmisoras y receptoras
respectivamente. Si solo se tiene una única polarización, y la medición S21 se realiza utilizando antenas
extremadamente similares, la función de transferencia para ambas antenas sería:
H(ω) =
√
2πRc0
jω
S21(ω)e
jωR
c0
El punto de referencia de la distancia R no está definido, por lo que, si se desea obtener una función
invariante en distancia, se deberá derivar una distancia virtual utilizando los datos obtenidos de los
parámetros S21, para esto se extraerá la distancia utilizando la variación lineal de la fase en frecuen-
cia. Existiendo N puntos de frecuencia discretos, la mejor pendiente a computar utilizando mínimos
cuadrados se obtiene de la forma:
dφ
df
=
N
∑N
i=1 fiφi −
∑N
i=1 fi
∑N
i=1 φi
N
∑N
i=1 f
2
i −
∑N
i=1 fi
∑N
i=1 fi
La distancia virtual R se obtendría como:
R = c02π
dφ
df
2.2.3. Calibración VNA
Antes de realizar cualquier tipo de medición utilizando un sistema VNA como el mostrado en ??, se
deberá realizar previamente un procedimiento de calibración utilizando el respectivo kit con él cuenta
el equipo para este fin. El analizador vectorial cuenta con la capacidad de arrojar los reportes de
calibración de forma digital, verificándose los resultados en planos de Smith para los distintos casos.
Se plantean modelos lineales para hallar los coeficientes de error en un sistema de dos puertos como
lo sería el VNA: Utilizando el kit de calibración OSM (Open-Match-Short) se estima el coeficiente de
Figura 2.1: Analizador Vectorial de Redes
reflexión S11, lo que permite obtener el valor del coeficiente de reflexión del dispositivo bajo pruebas
corregido:
ΓDUT =
MDUT − e00
e10 + e11(MDUT − e00)
En dondeMDUT es el valor complejo medido con el analizador. El modelo OSM consta de las siguientes
propiedades para cada uno de sus componentes:
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 7
Short
Γ = 1
Dispositivo que se puede aproximar a una inductancia que será representada como un polinomio
de tercer grado:
Le(f) = L0 + L1f + L2f2 + L3f3
S11 =
j2πfLe(f)− Z0e−
j4πl
λ
j2πfL0(f) + Z0
Match
Γ = 0
Open
Γ = −1Dispositivo que se puede aproximar a una capacitancia que será representada como un polinomio
de tercer grado:
Ce(f) = C0 + C1f + C2f2 + C3f3
2.2.4. Sección Transversal de Radar
La medición de la sección transversal de radar se obtiene midiendo el voltaje o las ondas de potencia
(
√
WATT ), por lo que el comportamiento de dispersión del objetivo está descrito por una matriz de
polarización compleja [S], que está relacionada con la matriz compleja de RCS [σ]:
[S] = 1√
4πR20
· [
√
σ]
El radio R0 es una referencia fija para el objetivo a estudiar. El sistema en términos generales se
encuentra compuesto por la siguiente configuración:
Figura 2.2: Proceso Medición de Sección Transversal de Radar
La sección de radar podrá ser medida en su caso biestático, donde dos antenas estáticas se encargan
de irradiar a un objeto que rota en un tornamesa, o monostática, donde el tanto el receptor como el
transmisor rotan alrededor del objeto de medición [1].
2.2.5. Impedancia de Línea de Transmisión en Microcinta
La impedancia característica de una línea de transmisión en una microcinta se obtiene a partir de la
permitividad del sustrato de la microcinta, y de sus respectivas dimensiones físicas [2]:
Figura 2.3: Microcinta
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 8
Las respectivas ecuaciones utilizadas para el cálculo de la impedancia característica de una línea
embebida en un sustrato con una permitividad característica, son las siguientes:
Si (W
H
) < 1 :
�eff =
�1R
2 +
�−1R
2 [
1√
1 + 12(H/W )
+ 0,04(1− (W/H))2]
Z0 =
60
√
�eff
ln(8(H/W ) + 0,25(W/H))
Si (W
H
) > 1 :
�eff =
�+1R
2 + [
�−1R
2
√
1 + 12(H/W )
]
Z0 =
120π
√
eff [W/H + 1,393 + 2/3ln(W/H + 1,444)]
2.3. Marco Histórico
El uso de sistemas de UWB con fines relativos a desminado humanitario se ha realizado en diferentes
lugares del mundo; siendo bastante relevante el desarrollo del sistema Dual elaborado por el profesor
Sato [9]. En el documento mencionado anteriormente, se construye un sistema dual que cuenta con
un detector de metal y un sistema GPR integrado, siendo un dispositivo que se ha probado en los
campos minados de Camboya. La integración de dos sistemas de detección de minas permitirá reducir
la cantidad de ruido ocasionado por los terrenos donde se realizarán mediciones. Este sistema cuenta
además, con la posibilidad de utilizar dos tipos de GPR, uno basado en un analizador de redes, mientras
que el otro utilizará un radar de secuencia m; el usuario deberá seleccionar el tipo de radar dependiendo
de las necesidades del terreno.
Múltiples proyectos de grados y tesis de Magíster han sido realizados en la Universidad de los Andes
con enfoques en sistemas de radar especializados en la detección de material bélico en los suelos
Colombianos. Debido a la extensión de los campos minados en Colombia, se ha visto la necesidad de
integrar sistemas de penetración de suelos por radar, esto con el fin de obtener imágenes del subsuelo,
dando la posibilidad de detectar el objeto que se encuentra enterrado; el uso de sistemas de simulación
de "GPR"tal como lo sería gprMax han resultado efectivos a la hora de realizar validaciones tal y
como se ilustra en [4], donde se logró simular escenarios complejos utilizando el método FDTD de
solución numérica a problemas electromagnéticos.
3.Definición y especificación del trabajo
3.1. Definición
Al menos 100,000,000 minas antipersonales se encuentran enterradas en más de 60 países a lo largo
del globo. Este proyecto está fundamentado en los procesos de diseño, simulación y fabricación de
sistemas UWB enfocados en el desminado humanitario. De acuerdo a lo anterior, se hará una revisión
bibliográfica de distintos sistemas electromagnéticos utilizados en el análisis de sección transversal
de radar de distintos dispositivos utilizados con fines bélicos. Utilizando recursos computacionales en
conjunto con mediciones en la cámara anecoica, se deberán validar distintas simulaciones obtenidas
utilizando HFSS. Debido a lo anterior, se simularán distintos escenarios que incluyen:
1. Minas Antipersonales.
2. Antenas UWB.
3. Líneas de Transmisión en Microcintas.
3.2. Especificaciones
El proyecto cuenta con múltiples restricciones dadas por los recursos de laboratorio, de software y de
hardware.
3.2.1. Limitaciones de Software
Debido a que el software que se utilizará será HFSS, no se podrá obtener la sección transversal biestática
o monoestática utilizando excitaciones distintas a una onda plana ubicada en algún lugar del dominio.
Si se quiere obtener la sección transversal de radar utilizando antenas UWB, se deberá utilizar el
parámetro S21.
3.2.2. Limitaciones de Laboratorio y Hardware
1. No es posible construir la antena propuesta en [10], esto debido a que no se cuenta con el
sustrato detallado en el documento. Además, las dimensiones de la antena son superiores a las
que el laboratorio de fabricación de circuitos puede construir.
2. No es posible tener una calibración precisa en el VNA debido a que cualquier movimiento afectará
el desempeño del sistema.
3. La memoria RAM definirá el tamaño del dominio a simular, permitiendo que la simulación se
asemeje en un mayor grado a la realidad.
3.3. Factores de Riesgo
Al momento de realizar los distintos diseños, fabricaciones y simulaciones se tendrán los siguientes
factores de riesgo que afectarán el desarrollo del proyecto:
1. Limitación de sustratos.
2. Limitaciones Tecnológicas.
Estos factores anteriores, se deberán tener en cuenta ya que podrían ocasionar un retraso en la entrega
del producto final, o un mal funcionamiento del mismo.
9
4.Metodología del trabajo
Con el fin de obtener resultados rigurosos de los distintos objetos a ser medidos utilizando el analizador
vectorial de redes (VNA), se deberá partir de una sólida base teórica en conjunto de simuladores
rigurosos como lo sería el caso de Ansys HFSS. Utilizando el simulador se deberán replicar las siguientes
dos antenas, buscando que el comportamiento electromagnético de ambas se comporte en concordancia
con los documentos [5] ,[10]. Se deberá obtener la función de transferencia de las distintas antenas, con
el fin de validar los resultados del simulador que utiliza el método de momentos finitos con la toma de
datos realizada en el VNA.
Siendo los conectores una de las grandes problemáticas en cuanto acople con las antenas, será necesario
verificar el correcto funcionamiento de estos mediante la evaluación del parámetro S21 y S11.
En simultáneo, se deberá realizar la construcción de contenedores utilizados en minas antipersonales en
HFSS. Los contenedores simplemente será objetos cotidianos hallados en las zonas rurales de Colombia,
algunos ejemplos de estos serían:
1. Botellas de Coca-Cola.
2. Botellas de Pony-Malta.
3. Envases de refrescos varios.
4. Botellas utilizadas en líquidos de limpieza.
Se deberá definir la caja de radiación ideal para tomar las simulaciones de las secciones transversales de
radar de los distintos objetos a estudiar, cumplíendose que la distancia entre el objeto y la frontera de
la caja de radiación sea λ/4 de la frecuencia más alta. El tamaño de la caja se verificará en el momento
de tomar las mediciones con los objetos reales en un torna mesa que es irradiado con la ayuda de un
VNA.
4.1. Plan de Trabajo
El siguiente plan de trabajo propuesto, permitirá desarrollar el proyecto de grado de manera efectiva,
aprovechándose el tiempo dado para el proyecto.
Cuadro 4.1: Plan de Trabajo
Actividad Fecha de Inicio Fecha de Finalización
Aprendizaje HFSS 01/06/17 05/07/17
Simulación Antena TSA Elíptica 15/07/17 25/08/17
Simulación Antena Small Antipodal 05/08/17 15/08/17
Medición en Cámara Anecoica 15/08/17 30/10/17
Fabricación Small Antipodal 15/08/17 30/08/17
Simulación de Línea de Transmisión FR4 01/10/17 05/10/17
Estudio de Documentación FDTD 06/06/17 30/10/17
Simulación de Línea de Transmisión Duroid 05/10/17 07/10/17
Mediciones Líneas de Transmisión 18/10/17 30/10/17
Simulación de Minas Antipersonales 03/09/17 21/09/17
SimulaciónFunción de Transferencia Small Antipodal 03/09/17 25/10/17
Medición Función de Transferencia Small Antipodal 17/09/17 30/10/17
Escritura Documento 22/10/17 30/10/17
10
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA DEL TRABAJO 11
4.2. Búsqueda de información
En el proyecto de grado se utilizarán los distintos recursos disponibles en la biblioteca de la Universidad
de los Andes y en sus recursos electrónicos, siendo la base de datos más relevante IEEE Explore.
Los distintos documentos serán apoyados en los fundamentos matemáticos y físicos estudiados en el
curso Teoría Electromagnética, además de lo estudiado con el profesor Roberto Bustamante durante
el desarrollo del Proyecto Especial enfocado en GPR realizado en el 2017-1.
Utilizándose distintos documentos pertenecientes a las siguientes revistas pertenecientes a la IEEE:
1. IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS
2. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION
3. IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION MAGAZINE
De las anteriores revistas, se obtuvieron distintos modelos de antenas y de medición electromagnética
utilizados a lo largo del proyecto con el fin de medir caracterizar distintos modelos de antena.
En cuanto a la medición de la sección transversal de radar, se utilizó el turorial dado por Ansys HFSS
para caracterizar el RCS de un cubo metálico [1]; en este tutorial se explicaba el debido procedimiento
para obtener la sección transversal de radar utilizando una onda plana ubicada en algún lugar en el
espacio.
5.Protocolo de Caracterización de Antena
UWB
5.1. Función de Transferencia Compleja
El vector complejo de longitud efectiva de una antena permite describir el sistema de una antena, en
donde en el caso de que la antena se encuentre en recepción, permite obtener el valor del voltaje de
circuito abierto en el puerto de salida de la antena en términos de un campo incidente:
VOC(ω) = − ~Einc(θRX , φRX , ω) • ~heff (θRX , φRX , ω)
Para poder obtener la respuesta de todo el sistema compuesto por una antena conectada a un receptor
o un transmisor será necesario conocer:
Impedancia de la Antena.
Vector de Longitud Efectiva: Este vector es función de dos ángulos.
5.2. Obtención de Función de Transferencia Compleja Utili-
zando el Método de Tres y Dos Antenas
En el caso de que se realicen mediciones en el dominio de la frecuencia para la obtención de la función
de transferencia de antenas, se podrá realizar la siguiente aproximación asumiendo que dos antenas
son idénticas. En este caso, la función de transferencia derivada es la siguiente:
H(ω) =
√
2πRc0
jω S21(ω)ejωR/c0
El acercamiento anterior es ideal cuando dos antenas son casi que idénticas en cuanto a su respuesta
a estímulos electromagnéticos. En el caso de tener antenas no idénticas, se podrá realizar el siguiente
acercamiento utilizando un sistema de 3 antenas para obtener la función de transferencia de cada una:
HA(ω) =
√
2πRc0
jω
SCA21 (ω)S
AB
21 (ω)
SBC21 (ω)
ejωR/c0
5.3. Obtención de Distancia de Referencia
Con el fin de obtener un sistema que sea invariante a la distancia, será necesario realizar una extracción
de fase utilizando el método de mínimos cuadrados, esto con el fin de obtener la distancia que permitirá
que la función de transferencia sea válida para cualquier distancia [6]:
dφ
df =
N
∑N
i=1
fiφi−
∑N
i=1
fi
∑N
i=1
φi
N
∑N
i=1
f2
i
−
∑N
i=1
fi
∑N
i=1
fi
Finalmente hallamos la distancia a utilizar en nuestra función de transferencia:
R = c02π
dφ
df
El método de mínimos cuadrados deberá ser programado con el fin de obtener un algoritmo capaz de
arrogar la distancia a R a utilizar.
5.4. Preparación de Experimento Función de Transferencia
Con el fin de llevar a cabo el procedimiento anterior, será necesario desarrollar un modelo secuencial
con el fin de obtener la función de transferencia de la antena deseada.
12
CAPÍTULO 5. PROTOCOLO DE CARACTERIZACIÓN DE ANTENA UWB 13
5.4.1. Lista de Componentes
Con el fin de realizar el experimento de manera satisfactoria utilizando los recursos disponibles en la
Universidad de Los Andes, se requerirán:
1. Cámara Anecoica.
2. Cables Pasternack Macho-Hembra de 10 Metros.
3. Analizador Vectorial de Redes Rohde & Schwarz.
4. Dos Antenas UWB.
5. Kit de Calibración Estandarizado VNA Rhode & Schwarz.
6. Algoritmos de Caracterización Previamente Desarrollados en Matlab.
7. Stands de Antenas (Estos se encuentran en el interior de la cámara).
8. Adaptadores de Antena en PCB (Utilizados para posicionar las antenas en los stands de la cámara
anecoica).
9. Juego de Tuercas.
10. Cinta Métrica.
5.5. Metodología
1. Obtención de Campo Lejano: Antes de iniciar la instalación de las antenas, será necesario obtener
la longitud en el espacio que corresponde a campo lejano para las antenas UWB, esto se realiza
tomando la mayor dimensión geométrica de la antena D, y obteniendo la longitud de onda para
todo el barrido de frecuencia, verificando que[? ]:
rfar >
2D2
λ
Las antenas serán ubicadas respetando una distancia que sea válida para todo el rango del barrido
de frecuencia.
2. Calibración VNA: Utilizando el kit de calibración estandarizado elaborado por Rhode & Schwarz,
se procederá a realizar la calibración Match-Open-Short dependiendo del rango de frecuencias y
la cantidad de puntos a tomar.
3. Ubicación de las Antenas: Las antenas deberán ser propiamente aseguradas en los dos stands
existentes en la cámara anecoica, esto se realizará con la ayuda de los adaptadores de las antenas.
Con el fin de realizar el experimento de manera correcta, será necesario utilizar una cinta métrica
con el fin de asignar un nivel de referencia común para ambas antenas.
Figura 5.1: Arreglo de Dos Antenas
CAPÍTULO 5. PROTOCOLO DE CARACTERIZACIÓN DE ANTENA UWB 14
Figura 5.2: Cámara Anecoica
4. Realizar la Conexión de Elementos: Utilizando el juego de tuercas se deberá proceder a conectar
las antenas al VNA utilizando los cables Macho-Hembra, luego se procederá a disponer los cables
de la mejor manera en el espacio de la cámara.
5. Toma de Datos: Utilizando un barrio de frecuencias, se procederá a tomar el parámetro S21 del
sistema de dos antenas, esto con el fin de obtener un archivo CSV capaz de ser procesado con el
fin de obtener la función de transferencia de las antenas.
6. Extracción de la Distancia: Se procederá a utilizar el método de mínimos cuadrados con el fin de
obtener la distancia que permitirá que el sistema sean invariante a la distancia, esto se realizará
utilizando el número de puntos en frecuencia utilizado en las mediciones de la cámara anecoica.
7. Obtención Función de Transferencia: Con la distancia obtenida, será posible obtener una fun-
ción de transferencia utilizando el rango de frecuencia utilizado durante la toma de datos y los
parámetros S21.
8. Validación: Utilizando el sistema HFSS se deberá validar la función de transferencia obtenida
para la antena, esto se realizará utilizando un procedimiento similar al realizado en el laboratorio
utilizando las funciones del programa.
5.6. Validación HFSS
HFSS es un software comercial del método de elementos finitos desarrollado y distribuido por Ansys.
Con el fin de validar los distintos resultados obtenidos en la cámara anecoica, será necesario realizar
lo siguiente en el simulador:
1. Replicar la antena utilizada durante el proceso de caracterización en HFSS, verificando que el
comportamiento electromagnético sea reproducido de manera idéntica.
2. Tomar una segunda antena idéntica y ubicarla a una distancia igual a la utilizada en la cámara
anecoica.
3. Generar una caja de radiación con las mismas dimensiones de la cámara anecoica.
4. Asignar los puertos de excitación de cada antena, identificando la antena receptora y transmisora
respectivamente.
5. Realizar un barrido en el dominio de la frecuencia, tomando los mismos puntos utilizados durante
el proceso experimental.
6. Verificar que el parámetros S21 sea similar al obtenido durante la experimentación.
6.Recomendaciones a Seguir Durante el Uso
de HFSS Ansys
6.1. Recomendaciones durante el Diseñode la Antena
6.1.1. Tipo de Simulación
Justo antes de comenzar a simular, será importante definir el tipo de solución que requerimos para
nuestra antena. Para definir el tipo de simulación simplemente iremos a: HFSS>Solution Type. La
mayoría de las simulaciones que tratamos son del tipo Modal Type que viene por defecto.
6.1.2. Unidades
Lo primero a identificar al momento de comenzar a dibujar, será definir las unidades con las que tra-
bajaremos, para esto deberemos: Modeler>Units. Es importante definir esto siempre que comencemos
a dibujar, en el caso de querer cambiar las unidades cuando ya tenemos un dibujo, el sistema nos da
la opción de re-escalar todo el dibujo a las nuevas unidades.
6.1.3. Caja de Radiación
La caja de radiación se recomienda que sea de un tamaño mayor a λ/4 (estas dependen de la frecuencia
a simular) en todas sus dimensiones para la menor frecuencia; esto se realiza con el fin de que las
reflexiones en la caja no afecten el comportamiento de la antena. Para el caso de antenas UWB,
simplemente bastará con asignar una frontera Radiation en la caja de radiación, para simulaciones
más complejas, se recomienda utilizar el PML WIZARD.
6.1.4. Coordenadas de Dibujo
Se debe recalcar el hecho de que la antena debe ser dibujada en los planos indicados en el documento
de estudio, cualquier alteración a instrucción básica dará resultados diferentes en los patrones de
radiación.
6.1.5. Tipo de Barrido en Frecuencia a Evitar
Para antenas UWB deberá evitarse utilizar el barrido Fast, ya que este simplemente dará resultados
erróneos de la antena simulada. Se recomienda utilizar los barridos Interpolating y Discrete.
6.1.6. Cantidad de Puntos a Barrer
Con el fin de obtener resultados de simulación correctos, será necesario que para las simulaciones en
las frecuencias de Antenas UWB se tomen pasos de al menos 0.05 GHz, con esto se evitarán múltiples
errores en los resultados a obtener debido a interpolaciones entre puntos que realiza el programa.
6.1.7. Obtener la Ganancia en Frecuencia
Con el fin de obtener la ganancia en frecuencia, deberemos guardar el resultado en frecuencia de todos
los campos lejanos de nuestra antena. Para lo anterior, deberemos utilizar un barrido en frecuencia del
tipo Discrete, y seleccionar la opción Save Fields (All Frequencies) únicamente. En el momento
de graficar, deberemos seleccionar el φ y θ donde se da la mayor ganancia, en antenas Vivaldi suele
ser 90◦ y 90◦.
15
CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES A SEGUIR DURANTE EL USO DE HFSS ANSYS 16
6.1.8. Tipo de Puerto
Para antenas UWB se recomienda utilizar excitaciones del tipo Lumped Port donde la excitación
se aplica en un punto o celda a manera de un voltaje o corriente. La ventaja de estos puertos es que
se pueden aplicar tanto en fronteras internas como externas, dando una gran facilidad al diseñador al
momento de excitar el dispositivo.
6.1.9. Manejo de Poly-Líneas
El diseñador se deberá asegurar que para el caso de las poly-líneas dibujadas, las coordenadas de los
puntos de inicio y fin se encuentren en las ubicaciones correctas, esto permitirá crear las distintas
figuras requeridas para una antena.
6.1.10. Manejo de Draw Equation Based Curve
Al momento de querer dibujar una curva utilizando esta función, la siguiente ventana aparecerá:
Figura 6.1: Equation Based Curve
Deberá evitarse ingresar variables como Y, X o Z en las ecuaciones, ya que el sistema arrogará un
error.
6.1.11. Variables
Con el fin de tener un modelo riguroso, será obligatorio dibujar utilizando variables; para ingresarlas
simplemente se debe ingresar a HFSS>Design Properties>Add. Se debe indicar la unidad de la variable
y el tipo de variable, por lo general para el caso de antenas solo se utilizarán variables de longitud.
6.1.12. Evitar Curvas Abiertas
Es importante que al momento de diseñar figuras, se evite en todo caso que la figura se encuentre
abierta ocasionando que la simulación falle. Esta clase de errores se da cuando se utiliza la herramienta
Edi>Surface>Cover Lines para generar superficies a partir de distintas líneas. Cuando se dan estos
errores, la simulación inicializará, pero por lo general terminará debido a insuficiencia de memoria.
6.1.13. Tamaño del Puerto
El puerto de radiación no deberá ser excesivamente grande, se recomienda que este sea de las dimen-
siones del sustrato. En el caso de tener un puerto muy grande, el sistema arrogará advertencias sobre
convergencia.
CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES A SEGUIR DURANTE EL USO DE HFSS ANSYS 17
6.2. Presentación de Resultados
6.2.1. Esfera de Radiación
Con el fin de obtener patrones de radiación correctos, la esfera de radiación a seleccionar deberá tener
como mínimo los siguientes parámetros:
Figura 6.2: Parámetros Adecuados para una Esfera de Radiación
Si la RAM del sistema es considerable ( al menos 16 GB de RAM) se podrían dar pasos de 0.1
grados, dando una mayor precisión al momento de presentar los resultados de campos lejanos. Como
recomendación, siempre se deberá nombrar la Esfera de radiación, esto con el fin de evitar confusiones
si se tienen múltiples esferas creadas.
6.2.2. Graficar Ganancia en Frecuencia
Para poder graficar la ganancia en frecuencia, se deberá seleccionar el barrido Discreto realizado en el
rango de frecuencias seleccionado por el usuario en conjunto con la esfera de radiación, esto se realiza
en los campos Solution y Geometry respectivamente:
CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES A SEGUIR DURANTE EL USO DE HFSS ANSYS 18
Figura 6.3: Parámetros para Obtener Ganancia en Frecuencia
Lo que graficaremos es la ganancia total en phi y theta en función de la frecuencia, en el campo de
función deberemos seleccionar dB, para obtener el resultado en decibelios.
6.2.3. Patrones de Radiación
Una vez se hayan identificado las posiciones en Theta y Phi donde se obtienen los campos H, E,
CROSS-E y CROSS-H, se utilizará la función dB10normalize, esto con el fin obtener todos los
resultados normalizados en una base. Como paso siguiente, deberemos escalar los campos en la escala
que se requiera; para esto, simplemente daremos clic en alguno de los valores de ganancia que se
muestran en la gráfica de radiación obtenida tal y como se muestra en 6.4:
Figura 6.4: Escalar Patrón de Radiación
La siguiente ventana aparecerá después de dar clic:
CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES A SEGUIR DURANTE EL USO DE HFSS ANSYS 19
Figura 6.5: Escalar Patrón de Radiación
Se verifica que se pueden cambiar las escalas del patrón de radiación, para esto asignaremos el máximo,
el mínimo y el paso que se dará entre cada círculo del patrón de radiación.
6.2.4. Guardar Imágenes
Con el fin de presentar resultados será obligatorio guardar las distintas imágenes obtenidas a partir de
los resultados, para esto, deberemos dar clic derecho>Export. Se podrá exportar los datos en formato
CSV si queremos visualizarlo en Excel, o en JPG en el caso de querer guardar la imagen. El poder
guardar imágenes permitirá crear presentaciones de alta calidad para exponer al docente o a quien lo
requiera.
7.Trabajo realizado
7.1. Small Antipodal UWB Antenna [5]
Se buscará simular y fabricar una antena antipodal vivaldi compacta que cumpla con las especificaciones
dadas para una antena UWB. La geometría de la antena se puede ver en 7.1, identificándose los planos
E y H como xy y yz respectivamente. Se simularán dos antenas distintas para este caso variándose
el grosor del sustrato FR4-epoxy, esto debido a que en [5] se utiliza una tarjeta de un grosor igual
a 1.4 mm, mientras que en el laboratorio de circuitos impresos de la Universidad de los Andes, solo
existen placas con un grosor de 1.6 mm. Siguiendo este orden de ideas, se buscará obtener la función
de transferencia de la antena fabricada, esto con el fin de realizar una comparación entre la función
de transferencia medida en la cámara anecoica, con la función de transferencia obtenida a partir del
parámetro S21 obtenido mediante simulación.
Figura 7.1: Small Antipodal UWB Antenna [5]
Las dimensiones de la antena son:
Cuadro 7.1: DimensionesAntena Small Antipodal
Dimension Medida
L1 40.16 mm
L2 35.65 mm
L3 7.6 mm
W1 42.56 mm
W2 35.56 nn
La geometría de la antena, tal y como se presenta, corresponde a una antena TSA Vivaldi Antipodal,
en donde las dos cintas actúan como un transformador que acopla la impedancia de la antena con la
impedancia del aire ( o espacio libre en su caso). La antena será fabricada utilizando una tarjeta de
FR4 de 1.6 mm, con una permitividad dieléctrica de 4.4, que irá recubierta por dos láminas de cobre
de 33µm. Los brazos de las antenas son simétricos, dados por las siguientes funciones exponenciales
que construirán la curva interior y exterior de cada brazo:
xinterior = ±0,1× e0,16×y ∓ (85)
xexterior = ±1,5× e0,01×y
2
∓ (85)
La excitación de esta antena se hará utilizando un microlínea cónica de 50 Ohmios utilizando un
conector SMA tipo Horizontal adquirido en el mercado nacional.
7.1.1. Antena con Sustrato de 1.4 mm de Espesor
Como una primera aproximación, se procedió a diseñar la antena propuesta utilizando Ansys HFSS con
un puerto de excitación del tipo Lumped Port y una caja de radiación de tipo ABC con dimensiones
20
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 21
30cm×30cm×30cm, el uso de puertos del tipo Wave Port se evitó debido a distintas complicaciones
experimentadas con uso. Debido a que el sustrato utilizado en el diseño de esta antenta tiene un grosor
de 1.4 mm, no será posible fabricar este modelo.
Figura 7.2: Small Antipodal UWB Antenna S11 h=1.4 mm
Figura 7.3: Small Antipodal UWB Antenna Ganancia en Frecuencia h=1.4 mm
Del anterior modelo simulado en HFSS se obtuvieron los siguientes resultados. Como se puede observar
en la Figura 7.2 como el corte en frecuencias bajas S11 < −10dB está a 3.35 GHz, con una ganancia
en frecuencia igual a 3.09, en altas frecuencias, el ancho de banda llega hasta los 9.59 GHz, por lo que
se tiene un ancho de banda total igual a 9,59GHz−3,35GHz = 6,24GHz. En cuanto a los patrones de
radiación que se pueden apreciar a continuación, se puede observar un patrón omnidireccional y una
buena ganancia. La mayor ganancia para este tipo de antenas se encuentra en Phi = 90◦, Theta = 90◦
y a una frecuencia de 9.05 GHz.
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 22
Figura 7.4: Patrón de Radiación 4 GHz Figura 7.5: Patrón de Radiación 6 GHz
Figura 7.6: Patrón de Radiación 8 GHz Figura 7.7: Patrón de Radiación 10.5 GHz
7.1.2. Antena con Substrato de 1.6 mm de Espesor
Debido a las limitaciones existentes en el laboratorio, se debió simular un sustrato con un grosor de
1.6 mm, esto alterará el desempeño de la antena, por lo que se deberá verificar el buen funcionamiento
de la misma.
Figura 7.8: Small Antipodal UWB Antenna S11 h=1.6 mm
En cuanto al coeficiente de reflexión, se verifica como la antena opera en un ancho de banda mayor
en comparación con un menor grosor de sustrato, operando desde los 3,35GHz hasta los 10.5 GHz sin
ningún problema. En cuanto a la ganancia de la antena, se logrará su máximo en 9.65 GHz con una
ganancia de 7.88 en Phi = 90◦ y Theta = 90◦ tal y como se verifica en la Figura 7.10.
Los patrones de radiación muestran un buen desempeño en ganancia, observándose una menor satu-
ración en frecuencias mayores a los 6 GHz.
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 23
Figura 7.9: Small Antipodal UWB Antenna S11 h=1.6 mm
Figura 7.10: Small Antipodal UWB Antenna Ganancia en Frecuencia h=1.6 mm
Figura 7.11: Patrón de Radiación 4 GHz Figura 7.12: Patrón de Radiación 6 GHz
Figura 7.13: Patrón de Radiación 8 GHz Figura 7.14: Patrón de Radiación 10.5 GHz
Fabricación Antena
Obteniendo los archivos Gerber de la antena utilizando el software DipTracer se procedió a fabricar
dos antenas en el laboratorio de circuitos impresos. La antena ya fabricada con un conector SMA del
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 24
tipo Horizontal se aprecia en la Figura 7.15.
Figura 7.15: Antena Small Antipodal Fabricada en FR4 de 1.6 mm
Debido a que se utilizará el método de las dos antenas para calcular la función de transferencia, se
deberá verificar que el comportamiento de las antenas sea extremadamente parecido; para esto, se
contrastarán los coeficientes de reflexión de las dos antenas y los patrones de radiación para diferentes
frecuencias ( 4 GHz, 6 GHz y 8 GHz).
Figura 7.16: Comparación de Coeficientes de Reflexión para Antenas Fabricadas
Tal como se observa en la Figura 7.16, los coeficientes de reflexión para ambas antenas tienden a
ser iguales, existiendo algunas imprecisiones en los picos de resonancia, sin embargo, ambas antenas
se comportan de manera adecuada. Cabe resaltar, que se evitó utilizar puertos nacionales del tipo
vertical, esto debido a que con estos puertos, se mostraron comportamientos en parámetro S11 que no
eran acordes con lo esperado.
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 25
Figura 7.17: Patrón de Radiación 4 GHz An-
tena 1
Figura 7.18: Patrón de Radiación 6 GHz An-
tena 1
Figura 7.19: Patrón de Radiación 8 GHz An-
tena 1
Figura 7.20: Patrón de Radiación 4 GHz An-
tena 2
Figura 7.21: Patrón de Radiación 6 GHz An-
tena 2
Figura 7.22: Patrón de Radiación 8 GHz An-
tena 2
Se observan una ganancia adecuada en los distintos patrones de radiación obtenidos para ambas an-
tenas, compartiendo patrones de radiación similares. Las mayores diferencias entre los patrones de
radiación, se deberán en su mayoría por el posicionamiento de las antenas en el tornamesa, ya que se
experimentó como sutiles movimientos podrían alterar las mediciones.
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 26
7.2. Función de Transferencia Small Antipodal
Con el fin de caracterizar a la antena Small Antipodal [5], se decidió obtener la función de transferencia
para esta antena utilizando dos antenas iguales. Con el fin de realizar adecuadamente la medición
de la función de transferencia, se debió ubicar a ambas antenas a una distancia tal que pudiese ser
considerado como campo lejano. La medición de la función de transferencia se realizará entre 3,5GHz−
9,18GHz, por lo que la distancia de campo lejano para esta antena sería:
R >
2D2
λ
Debido a que la menor longitud de onda será la 9.18 GHz, y que la mayor dimensión es 4.016 cm, por
lo que la distancia de campo lejano sería:
R > 9,89cm
Se buscará obtener la función de transferencia posicionando la antena a distintas distancias, esto con el
fin de realizar una comparación entre los resultados obtenidos por medio de simulación y de medición
con el VNA en la cámara anecoica. Se posicionarán las dos antenas a distintas distancias que cumplan
la restricción de campo lejano, estas distancias son:
Cuadro 7.2: Distancias de Medición de Función de Transferencia
Posición Distancia
1 451 cm
2 41.8 cm
3 10 cm
Es claro, que cuando se realice el proceso de la obtención de la función de transferencia, se obtendrá la
distancia virtual a partir del proceso de mínimos cuadrados utilizando la fase de la antena en grados,
tal y como se explicó con anterioridad.
El rango de frecuencia escogido en GHz para obtener la función de transferencia fue 3,5GHz−9,18GHz,
siendo frecuencias donde el coeficiente de reflexión es menor a -10 dB para ambas antenas. Utilizándose
un sistema de correas, se sujetaron las distintas antenas en diferentes puntos de la cámara anecoica,
esto con el fin de obtener la función de transferencia para distintos niveles de distancia y realizar
una debida comparación. Inicialmente, se buscó posicionar la antenas a una distancia de 4.51 metros,
posicionando la antena 1 en el tornamesa y la antena 2 en el asta ( ambas antenas se encontraban a
2.60 de altura) tal y como se muestra en la Figura 7.23.
La función de transferencia obtenida utilizando la distancia máxima posible en la cámara anecoica de
la Universidad de los Andes, resultó ser la siguiente:
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 27
Figura 7.23: Medición Función de Transferencia
Figura 7.24: Medición Función de Transferencia de Antenas a 10 cm de Distancia
Figura 7.25: Función de Transferencia Medida
CAPÍTULO 7. TRABAJO REALIZADO 28
Figura 7.26: Función de Transferencia Simulada
Figura 7.27: