Nonlinear analysis and optimisation techniques for the design of multifunctional oscillator based circuits applied to active antennas

Resumen

La presente Tesis Doctoral se ha dedicado al desarrollo de nuevas herramientas de análisis y optimización no lineal para el diseño de circuitos multifuncionales basados en osciladores que, además de llevar a cabo la generación de las señales de oscilador local que habitualmente se requieren en los sistemas de comunicaciones, integran funcionalidades adicionales, necesarias en antenas activas de propósito general, tales como mezcla, multiplicación en frecuencia, desfase variable y amplificación. Estas técnicas hacen posible el desarrollo de complejos circuitos activos de microondas que, con un número reducido de componentes activos, llevan a cabo multitud de funciones adicionales, que de otra manera deberían ser implementadas por otros subsistemas independientes. Mediante esta filosofía de diseño, el consumo de potencia, el tamaño y el número de fuentes de ruido presentes en el sistema pueden ser potencialmente reducidos de manera significativa. El presente documento se ha organizado en varios capítulos. El Capítulo 1 constituye una recopilación de los métodos teóricos de análisis y optimización, así como de múltiples estrategias de diseño no lineal de circuitos de microondas, que se han presentado en la literatura y que son de aplicación directa en los circuitos y sistemas que se abordarán en capítulos posteriores. Asimismo, las diferentes soluciones que se pueden encontrar en los circuitos que se estudian en este trabajo, junto con las bifurcaciones y fenómenos de dinámica no lineal más comunes, se ilustran mediante ejemplos desarrollados a tal efecto, introduciendo los métodos requeridos para su caracterización, análisis y optimización. Las contribuciones originales presentadas en este trabajo comienzan en el Capítulo 2, en el que se utilizan mezcladores autooscilantes armónicos sincronizados para el control de una agrupación de cuatro antenas receptoras. Estos circuitos integran, junto con la generación de la señal de oscilador local, funciones tales como la mezcla armónica y la introducción de un desfase controlable en un rango continuo que excede 360 grados, introduciendo una ganancia de conversión positiva. La dinámica no lineal de esta topología circuital se analiza y describe en detalle, particularizándola para su aplicación en la agrupación de antenas activas que se ha propuesto. El sistema completo se ha validado mediante la construcción y medida de un prototipo, que ha constituido la primera realización práctica de una agrupación de antenas activas basada en mezcladores autooscilantes armónicos sincronizados. Se ha medido un rango continuo de barrido del haz entre -23.5 y 23.5 grados. La utilidad práctica de los mezcladores autooscilantes armónicos sincronizados se demuestra nuevamente en el Capítulo 3, mediante su integración en una antena receptora de polarización variable. La dinámica no lineal de estos circuitos es analizada y ajustada para su aplicación a la antena de polarización variable, en la que dos circuitos alimentan dos modos radiantes con polarización lineal y ortogonales entre sí, de una antena en tecnología impresa. Se ha desarrollado un novedoso prototipo del sistema completo que permite, mediante una única señal de control continua, la variación de la polarización en la antena receptora en un rango que incluye polarización circular a derechas e izquierdas, junto con dos polarizaciones lineales perpendiculares entre sí. Una vez más, la utilización de esta topología circuital permite llevar a cabo la conversión a frecuencia intermedia de la señal recibida, introduciendo una ganancia de conversión positiva. Los circuitos mezcladores autooscilantes armónicos sincronizados que se utilizan en los Capítulos 2 y 3, han demostrado de manera experimental sus ventajosas propiedades para aplicaciones de antenas activas en recepción, donde se puede asumir que las señales introducidas en el circuito tienen un nivel de potencia relativamente bajo. Sin embargo, este tipo de circuitos no es apropiado para soluciones transmisoras, en las que generalmente se requieren niveles de potencia de salida relativamente altos, dado que la presencia de señales de nivel elevado en el circuito puede perturbar su solución oscilatoria autónoma. Con el fin de superar esta limitación, permitiendo extender el uso de circuitos multifuncionales basados en osciladores a sistemas de antenas activas en transmisión, en el Capítulo 4 se presenta una novedosa solución, basada en un oscilador controlado por tensión convencional, en el que se ha optimizado la generación de su cuarto armónico, que se utilizará como señal de salida. Puesto que la eficiencia en la generación de armónicos superiores que se consigue en osciladores es típicamente muy limitada, se han desarrollado nuevas técnicas de optimización no lineal para la reducción del consumo de potencia de los circuitos, de modo que estos se puedan utilizar en aplicaciones alimentadas mediante baterías. Mediante la utilización de las técnicas de análisis de dinámica no lineal presentadas en el Capítulo 1, se ha evaluado el comportamiento del circuito en diversas condiciones de operación. Para la validación experimental del diseño, se ha fabricado y medido un prototipo de oscilador armónico, analizando experimentalmente sus prestaciones. Se ha prestado especial atención a su comportamiento en cuanto a ruido de fase así como a su capacidad para transmitir señales moduladas en fase mediante dos procedimientos: modulación directa de la señal de polarización del varactor o sincronización con una señal modulada. Los osciladores armónicos desarrollados en el Capítulo 4, se han empleado en el Capítulo 5 para la realización práctica de una agrupación bidimensional de 4x4 antenas. La dinámica no lineal de los circuitos se ha analizado en profundidad, identificando y combatiendo posibles fuentes de problemas prácticos tales como el acoplo mutuo. En ese sentido, se ha desarrollado un diseño de ranuras en el plano de masa para la reducción del acoplo entre elementos de la agrupación de antenas. Las especificaciones para las redes auxiliares necesarias, tales como divisores, acopladores direccionales, etc. se han establecido desde un punto de vista conservador, orientado a la prevención de posibles problemas prácticos que pudieran perturbar el normal funcionamiento del sistema. Los criterios de diseño aplicados dan prioridad a la obtención de prototipos operativos, por encima de otros objetivos, tales como maximizar la eficiencia, que se deberían abordar en etapas posteriores del proceso de diseño. La utilización práctica de esta novedosa topología circuital multifuncional se demuestra mediante la realización y caracterización de un prototipo de agrupación bidimensional de antenas controlada mediante osciladores armónicos. En el Capítulo 6, se propone una original topología multifuncional basada en osciladores, capaz de operar de manera simultánea como transmisor y receptor, con aplicación en comunicaciones de baja potencia y alcance limitado. Esta nueva solución se ha concebido para llevar a cabo diversas funcionalidades en ambos sentidos de la comunicación, tales como las correspondientes conversiones de frecuencia, introduciendo una cierta ganancia de conversión, así como la generación de la señal de oscilador local. En el Capítulo 6, las técnicas de diseño empleadas para la implementación de los diferentes elementos del circuito se describen en profundidad, con especial atención a las redes de polarización basadas en líneas de anchura modulada, además del multiplexor de entrada y el diplexor de salida. Se han optimizado las soluciones estacionarias del circuito, así como los productos de intermodulación asociados a las operaciones de conversión de frecuencia deseadas, obteniendo ganancias de conversión positivas en ambos sentidos. Se ha fabricado un prototipo preliminar del circuito para la validación experimental del diseño. Sin embargo, se han detectado ciertas discrepancias entre el comportamiento práctico del circuito y los resultados de simulación, especialmente en lo que se refiere a la amplitud y frecuencia de la oscilación libre.