Técnicas de inteligencia computacional para el diseño robusto de dispositivos radiantes
- Autores: Rocío Sánchez Montero
- Directores de la Tesis: José Antonio Portilla Figueras (dir. tes.), Sancho Salcedo Sanz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Andrés Prieto Gala (presid.), José Luis Álvarez Pérez (secret.), José María Zamanillo Sainz de la Maza (voc.), Saturnino Maldonado Bascón (voc.), Jonathan Rigelsford (voc.)
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- Resumen
- español
La tesis doctoral propone una nueva estructura de antena adecuada para ser utilizada en las bandas de frecuencia donde se proveen los principales servicios de telefonía móvil, y su proceso de optimización posterior, empleando algoritmos de programación evolutiva. La creciente demanda de ofrecer servicios de datos de alta velocidad, ha generado la necesidad de incrementar el ancho de banda de las antenas empleadas. Los elementos radiantes empleados tradicionalmente en el sector de las comunicaciones inalámbricas, dadas sus reducidas dimensiones y los bajos niveles de tasa de absorción específica (SAR), son las conocidas antenas planares de F invertida y las antenas de parche. Uno de los principales inconvenientes en este tipo de dispositivos es su reducido ancho de banda lo que imposibilita su uso en las nuevas generaciones de telefonía móvil. No obstante, al combinar ambas antenas en una única estructura, el ancho de banda mejora notablemente, al mismo tiempo que sus dimensiones se ven reducidas considerablemente con respecto a su tamaño original. La tecnología en la que se han implementado estos dispositivos es una variante de las líneas microstrip, conocida como coplanar waveguide (CPW). El substrato empleado ha sido uno de reducido coste como es el FR4. Sin embargo, el comportamiento de este material empeora conforme aumenta la frecuencia. Para analizar los posibles efectos adversos que este comportamiento desfavorable puede provocar en nuestro prototipo, y dado que en torno a los 5.6GHz se encuentra la frecuencia de trabajo del servicio WIFI UNII, se ha realizado un estudio tanto teórico como práctico del comportamiento de la antena propuesta. El análisis teórico se ha llevado a cabo mediante la simulación del dispositivo empleando materiales con diferentes tangentes de perdidas. La parte experimental se ha realizado mediante la construcción y medida del prototipo con un material de altas prestaciones como es Ro4320. Tanto en el estudio teórico como en el experimental, los resultados obtenidos demuestran que el comportamiento de la antena no se ve afectado significativamente, por el empleo de un substrato de bajas prestaciones. La antena propuesta está formada a partir de la hibridación de una antena parche y una antena PIFA, alimentada de modo único mediante una línea CPW. Con anterioridad al proceso de optimización, y debido a la cantidad de parámetros que conforman la antena bajo estudio, es necesario conocer cuáles son los que debemos modificar para conseguir nuestro objetivo. Para ello se ha realizado un estudio paramétrico. Este estudio nos ha permitido determinar que son seis las variables: longitud (Lg) y anchura (Wg) del plano de masa, longitud (B) y anchura (A) del lado estrecho que conforma el plano de radiación de la antena PIFA, radio de la antena parche (ri) y radio de la circunferencia de separación entre el parche y el plano de masa (ro), que será necesario ajustar para conseguir incrementar el margen de frecuencias de funcionamiento. Además del proceso de hibridación, que dio lugar a la conformación del prototipo propuesto en esta tesis, ante la ausencia de un modelo equivalente que permita ajustar la respuesta conjunta de la antena, el empleo de las técnicas de inteligencia computacional va a permitir el proceso de optimización necesario para el ajuste de la respuesta en frecuencia de la antena. La respuesta de la programación evolutiva tras la optimización, ha dado lugar a un dispositivo capaz de dar servicio de voz y datos, al cubrir el margen de frecuencia definido para GSM, DCS, UMTS y WLAN, además de otros servicios inalámbricos como son GPS y Bluetooth que, por otro lado, se han convertido en usuales en los terminales de última generación. Con el objeto de comparar el rendimiento, y dado que el simulador empleado dispone de un modulo propio de optimización, se ha realizado este proceso mediante el empleo de una técnica clásica como es el método Nelder Mead Simplex. El principal inconveniente de este algoritmo, es que a pesar de ser un método bastante robusto, resulta inestable cuando se emplean más de cuatro variables. Atendiendo a los resultados obtenidos, se puede observar una mejora en el ancho de banda de la zona inferior, a costa de empeorar ligeramente el margen superior. Puesto que existe una interdependencia de las respuestas en ambas bandas, las modificaciones de las variables afectan a la respuesta conjunta. El criterio de optimización definible en simulador electromagnético no permite independizar o ponderar ambas respuestas. La inclusión de otros métodos exteriores permitirá estos ajustes. El empleo de la programación evolutiva para el proceso de optimización ha implicado elaborar una plataforma de comunicación entre el simulador empleado (CST Microwave Studio) y el programa en el que se encuentra implementado el algoritmo evolutivo. El proceso de optimización puede ser llevado a cabo mediante otras técnicas de inteligencia computacional, a través de esta plataforma de conexión del simulador con otros programas externos. Finalmente, la antena desarrollada posee unas dimensiones de 57 x 24 x 6 mm y consigue un ancho de banda a 10dB de pérdidas de retorno del 49% en la banda inferior (1800MHz) y 11.25% en la banda superior (5200MHz), con unos valores de ganancia de 3 y 4.2 dBi respectivamente.
- English
The doctoral thesis proposes a new antenna with a suitable structure for the main frequency bands of mobile services, whose optimization process has been done by an Evolutionary Programming algorithm. The growth of the demand for high speed data services has generated the necessity of increasing the antenna bandwidth. Due to its reduced size and low specific absorption rate (SAR), planar inverted-F antennas (PIFA) and patch antennas are typically employed in the wireless services. The main disadvantage of these devices is their narrow bandwidth, for this reason these antennas are not useful for the new generation mobile handsets. Nevertheless, when PIFA and patch antenna are employed in the same structure, the bandwidth is increased remarkably, and the dimensions are reduced with respect to their original sizes. The proposed antenna is implemented in a variation of microstrip line, which is called coplanar waveguide (CPW). A low-cost FR4 substrate has been used. As the behavior of this substrate is poor at high frequency, a theoretical and practical analysis of the prototype has been done to determine the adverse effects around 5.6GHz, since it is the frequency of the WIFI UNII service. In the theoretical study, the antenna has been simulated with different loss tangent materials. In the experimental analysis, two versions of the antenna have been made and compared, one on low cost FR4 substrate and the other on low loss Rogers 4350 material. The simulated and measured results show that the behavior of the antenna with a low cost substrate (FR4) and with a low loss tangent substrate (Ro4320) is very similar. In summary, this thesis proposed an antenna which is based on the hybridization of two single antennas: a PIFA and a circular patch antenna with a CPW feeding. As there is not an accurate expression for the proposed design, an optimization process must be carried out. A parametric study has been done before the optimization process in order to know the parameters that need to be modified to increase the bandwidth. This study shows that the variables to be changed during the optimization process are six: length (Lg) and width (Wg) of the ground plane, length (B) and width (A) of the narrow side in the PIFA radiation plane, patch antenna radius (ri) and radius of the circumference between patch antenna and ground plane (ro). Finally, the overall antenna dimensions are 57 x 24 x 6 mm and for 10 dB return loss the operating bandwidth are 49% in the low frequency band (1800MHz) and 11.25% in the high frequency band (5200MHz), the gain values are 3 and 4.2dBi respectively. Computational Intelligence techniques have been employed during the optimization process. The results obtained after the optimization show that the proposed antenna can be used in GSM, DCS, UMTS and WLAN, as well As in other wireless services like GPS and Bluetooth which are very common in the new generation handset. For comparison, other classical technique such as Nelder Mead Simplex method has been used during the optimization. This technique is included in the optimization section of the electromagnetic simulator employed to obtain the performance of the antenna (CST Microwave Studio). This is a very robust method but, the main problem of this algorithm is that it becomes very instable when using more than four parameters. With this method the bandwidth in the low frequency band is improved but in the high frequency it is deteriorated. The optimization criterion in the electromagnetic simulator doesn’t let us to adjust independently both bands. So, it is necessary to include an external optimization method to adjust both bands separately. The use of an external optimization method, like Evolutionary Programming algorithm, as a part of the antenna’s evaluation process, involves the definition of a communication protocol between the simulator and the program employed to implement the evolutionary algorithm. The proposed optimization process may be carried out with any other computational intelligence technique.
- español
