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(1)

TELECOMUNICACI ´ ON

UNIVERSIDAD POLIT ´ ECNICA DE CARTAGENA

M ´ ASTER UNIVERSITARIO EN INGENIER´IA DE TELECOMUNICACI ´ ON

Julio, 2019

Trabajo Fin de M´aster

Dise˜no de un beacon avanzado para estimaci´on del

´angulo de salida en sistemas BLE, basado en un array de antenas leaky-wave monopulso escaneadas en

frecuencia

Autor : Antonio G´omez Alcaraz

Director : Jose Luis G´omez Tornero

Codirector : Miguel Poveda Garc´ıa

(2)
(3)

mi familia

I

(4)
(5)

´Indice general

Lista de figuras III

Lista de tablas IX

1. Introducci´on 1

2. Beacon BLE avanzado 5

2.1. Descripci´on del sistema . . . 5

2.2. Array de LWA . . . 9

2.2.1. Dise˜no en HFSS del array de LWA . . . 9

2.2.2. Resultados en HFSS del array de LWA . . . 15

2.2.3. Medidas del array de LWA fabricado . . . 35

2.3. Funciones monopulso . . . 44

3. Estimaci´on del DoD empleando MF digitales 51 4. Comparaci´on con sistemas anteriores relacionados 65 5. Conclusiones 75 5.1. L´ıneas futuras . . . 76

A. Canales Bluetooth 4.x 77

B. Publicaciones derivadas de este TFM 79

Bibliograf´ıa 81

III

(6)
(7)

´Indice de figuras

1.1. Esquema de beacon BLE con array de LWA con escaneo en frecuencia que sintetiza doce haces escaneados empleando los canales de “advertising” #37,

#38 y #39. . . 3

2.1. Esquema del sistema BLE de estimaci´on del DoD. . . 5

2.2. M´odulo BLE UD100a de Sena Technologies. . . 6

2.3. Imagen del array de LWA dise˜nado. . . 6

2.4. Parte de los script de Python. . . 7

2.5. Parte del script de Matlab. . . 8

2.6. GUI en Matlab. . . 8

2.7. Antena leaky-wave. [13-14] . . . 10

2.8. Campo el´ectrico en el plano XZ. [13] . . . 10

2.9. Esquema de la relaci´on entre la frecuencia y θRAD. [13] . . . 11

2.10. Array dise˜nado. . . 12

2.11. Par´ametros de la antena A. . . 13

2.12. Par´ametros de la antena B. . . 13

2.13. L´ıneas de campo. . . 14

2.14. Par´ametros S de la antena A, dise˜no inicial. . . 16

2.15. Par´ametros S de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 16

2.16. Par´ametros S de la antena B, dise˜no inicial. . . 17

2.17. Par´ametros S de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 17

2.18. Diagramas de ganancia de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial. . . . 17

2.19. Diagramas de ganancia polares de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial. 18 2.20. Diagramas de ganancia de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial. . . . 18

V

(8)

2.21. Diagramas de ganancia polares de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial. 18

2.22. Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto B’. . . 19

2.23. Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto B’. . . 19

2.24. Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto B’. . . 19

2.25. Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto PA’. . . 20

2.26. Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto PA’. . . 20

2.27. Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto PA’. . . 20

2.28. Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto PA. . . 21

2.29. Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto PA. . . 21

2.30. Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto PA. . . 21

2.31. Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto PB. . . 22

2.32. Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto PB. . . 22

2.33. Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto PB. . . 22

2.34. ´Angulo de m´axima radiaci´on en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 23

2.35. Directividad m´axima en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 23

2.36. Ganancia m´axima en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 24

2.37. Eficiencia de radiaci´on en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 24

2.38. HPBW en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 25

2.39. Comparaci´on Co-Xpol en el puerto A, dise˜no inicial. . . 25

2.40. Xpol en el puerto A en coordenadas polares, dise˜no inicial. . . 25

2.41. Comparaci´on Co-Xpol en en puerto A’, dise˜no inicial. . . 26

2.42. Xpol en el puerto A’ en coordenadas polares, dise˜no inicial. . . 26

2.43. Comparaci´on Co-Xpol en el puerto B, dise˜no inicial. . . 26

2.44. Xpol en el puerto B en coordenadas polares, dise˜no inicial. . . 27

2.45. Comparaci´on Co-Xpol en el puerto B’, dise˜no inicial. . . 27

2.46. Xpol en el puerto B’ en coordenadas polares, dise˜no inicial. . . 27

2.47. Comparaci´on de m´aximos Co-Xpol en la antena A, dise˜no inicial. . . 28

2.48. Comparaci´on de m´aximos Co-Xpol en la antena B, dise˜no inicial. . . 28

2.49. X-to-Co-pol discrimination ratio, dise˜no inicial. . . 28

2.50. Diagramas de ganancia en el plano E de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 29

(9)

2.51. Diagramas de ganancia polares en el plano E de la antena A en los canales BLE,

dise˜no inicial. . . 30

2.52. Diagramas de ganancia en el plano E de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 30

2.53. Diagramas de ganancia polares en el plano E de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 30

2.54. HPBW de la ganancia en el plano E en los canales BLE, dise˜no inicial. . . 31

2.55. Par´ametros SAAy SBBen el ancho de banda de los canales, dise˜no inicial. . . . 31

2.56. ´Angulos de m´axima radiaci´on en el ancho de banda de los canales, dise˜no inicial. 31 2.57. Ganancia m´axima en el ancho de banda de los canales, dise˜no inicial. . . 32

2.58. Par´ametros S de la antena B, dise˜no fabricado. . . 34

2.59. Par´ametros S de la antena B en los canales BLE, dise˜no fabricado. . . 34

2.60. Diagramas de ganancia de la antena B en los canales BLE, dise˜no fabricado. . . 34

2.61. Diagramas de ganancia polares de la antena B en los canales BLE, dise˜no fa- bricado. . . 35

2.62. Medida de los par´ametros con el VNA ZVL6 de Rhode&Schwarz. . . 36

2.63. Comparaci´on de los par´ametros S, antena A. . . 36

2.64. Comparaci´on de los par´ametros S, antena B. . . 37

2.65. Par´ametros S de adaptaci´on medidos. . . 37

2.66. Par´ametros S de acoplo medidos. . . 37

2.67. Medidas anal´ogicas en c´amara anecoica. . . 38

2.68. Diagramas de radiaci´on anal´ogicos. . . 39

2.69. Diagramas de radiaci´on polares anal´ogicos normalizados. . . 40

2.70. Medidas digitales en c´amara anecoica. . . 40

2.71. Diagramas de radiaci´on digitales. . . 41

2.72. Diagramas de radiaci´on polares digitales normalizados. . . 41

2.73. Comparaci´on de la dispersi´on frecuencial. . . 42

2.74. Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto A. . . . 43

2.75. Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto A’. . . . 43

2.76. Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto B. . . . 43

2.77. Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto B’. . . . 44

(10)

2.78. Diagramas suma y diferencia de la MF1 anal´ogica. . . 46

2.79. Diagramas suma y diferencia de las MF2 y MF5 anal´ogicas. . . 46

2.80. Diagramas suma y diferencia de las MF3 y MF6 anal´ogicas. . . 47

2.81. Diagramas suma y diferencia de las MF4 y MF7 anal´ogicas. . . 47

2.82. Diagramas suma y diferencia de la MF1 digital. . . 47

2.83. Diagramas suma y diferencia de las MF2 y MF5 digitales. . . 48

2.84. Diagramas suma y diferencia de las MF3 y MF6 digitales. . . 48

2.85. Diagramas suma y diferencia de las MF4 y MF7 digitales. . . 48

2.86. Funciones monopulso anal´ogicas. . . 49

2.87. Funciones monopulso digitales. . . 49

2.88. Adici´on de funciones monopulso digitales para mitigar el efecto multicamino. . 50

3.1. Procesado de la se˜nal. . . 52

3.2. Escenario de medida de las Figuras 3.1 y 3.3. . . 53

3.3. Resultados de la estimaci´on del DoD en la c´amara anecoica. . . 54

3.4. Esquema del entorno de medidas exterior. . . 55

3.5. Im´agenes del entorno de medidas exterior. . . 55

3.6. Efecto de usar m´as funciones monopulso para reducir el efecto multicamino. . . 56

3.7. Enventanado espacial iterativo para reducir el ruido y el efecto multicamino. . . 58

3.8. Robustez respecto a la orientaci´on del dispositivo IoT. . . 59

3.9. Estimaci´on del DoD en funci´on de la distancia. . . 60

3.10. CDF del error angular. . . 62

3.11. Sistema empleado en [19], extra´ıdo de [20]. . . 62

3.12. Sistema empleado en [19], extra´ıdo de [19]. . . 63

3.13. CDF resultante en [19], extra´ıdo de [19]. . . 63

4.1. Setup en [10] y [21]. . . 66

4.2. Setup en [22]. . . 66

4.3. Setup en [23]. . . 67

4.4. Setup en [24]. . . 67

4.5. Setup en [25]. . . 68

4.6. Setup en [29]. . . 69

(11)

4.7. Setup en [31]. . . 70 4.8. Setup en [16]. . . 71 A.1. Canales Bluetooth 4.x y canales Wifi. [34] . . . 77

(12)
(13)

´Indice de tablas

2.1. Resumen 1 caracter´ısticas de la antena A, dise˜no inicial. . . 32

2.2. Resumen 2 caracter´ısticas de la antena A, dise˜no inicial. . . 32

2.3. Resumen 1 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no inicial. . . 33

2.4. Resumen 2 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no inicial. . . 33

2.5. Resumen 1 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no fabricado. . . 35

2.6. Resumen 2 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no fabricado. . . 35

2.7. Ganancia de pico relativa (RPG) entre canales en dBs. . . 44

2.8. Combinaci´on de canales y puertos para obtener las funciones monopulso. . . . 45

2.9. Combinaci´on de canales y puertos para obtener las funciones monopulso super- puestas. . . 50

3.1. Estad´ısticos del error angular del experimento mostrado en la Figura 3.9. . . 61

4.1. Comparaci´on entre diferentes t´ecnicas de estimaci´on DoD/DoA basadas en RS- SI empleando Antenas Inteligentes. (1) . . . 72

4.2. Comparaci´on entre diferentes t´ecnicas de estimaci´on DoD/DoA basadas en RS- SI empleando Antenas Inteligentes. (2) . . . 73

A.1. Canales Bluetooth 4.x. . . 78

XI

(14)
(15)

Cap´ıtulo 1 Introducci´on

Este Trabajo Fin de M´aster se ha llevado a cabo con la ayuda de la Beca de Iniciaci´on en la Actividad Investigadora en colaboraci´on con el Banco Santander, siendo su principal objetivo proproner un prototipo de beacon BLE avanzado, basado en un array de antenas leaky-wave (LWA) dise˜nadas en FR4 para trabajar en la banda ISM de 2,45 GHz. Este beacon BLE debe permitir la estimaci´on del ´angulo de salida (Angle of Departure, AoD) a partir de se˜nales trans- mitidas por cuatro beacons BLE conectados al array. Un dispositivo m´ovil procesar´a las tramas BLE emitidas por el beacon para estimar el AoD.

Esta investigaci´on parte del Trabajo Final de Grado titulado Dise˜no de una antena mono- pulso interferom´etrica leaky-wave para aplicaci´on en sistemas de localizaci´on [1] en el que se dise˜na un sniffer WiFi que emplea un array de antenas de panel comerciales para determinar el

´angulo de llegada (AoA, Angle of Arrival). Adem´as, en el Ap´endice B se muestran los diferen- tes art´ıculos en revistas y congresos derivados de este TFM, as´ı como otros en los que el autor ha participado activamente.

El Bluetooth de baja energ´ıa (BLE, Bluetooth Low Energy) es una de las tecnolog´ıas clave en la revoluci´on del Internet de las cosas (IoT, Internet of Things) en las ciudades inteligentes (Smart Cities) [2]. Aunque no existe una ´unica tecnolog´ıa en esta revoluci´on, el BLE es una de las m´as prometedoras para m´ultiples aplicaciones [2] pues el est´andar de BLE establece un modo de publicidad (advertising mode) simple y eficiente para transmitir mensajes peque˜nos llamados anuncios (advertisements), permitiendo que un receptor BLE detecte dispositivos BLE cercanos. Los dispositivos BLE m´as simples se llaman beacons y son peque˜nos, baratos y di- se˜nados para funcionar con bater´ıas durante meses, por lo que se puede desplegar una gran

1

(16)

cantidad de estos f´acilmente en espacios inteligentes. Adem´as, los beacons BLE interact´uan bien con tel´efonos inteligentes, tabletas u otros dispositivos IoT. Los beacons se emplean, entre otras aplicaciones, en servicios de localizaci´on, proximidad, gu´ıa y rastreo.

BLE emplea 40 canales f´ısicos de banda estrecha en la banda ISM de 2,4 GHz, separados 2 MHz entre ellos (Anexo A). En el est´andar de Bluetooth se definen dos tipos de transmisiones, las de datos y las de “advertising”. El canal f´ısico de “advertising” utiliza tres canales de RF (2402 MHz con ´ındice #37, 2426 MHz con ´ındice #38 y 2480 MHz con ´ındice #39) para de- tectar dispositivos, iniciar una conexi´on y transmitir datos. El canal f´ısico de datos utiliza hasta 37 canales de RF para la comunicaci´on entre dispositivos conectados. Adem´as, se especifican diferentes formatos de paquetes de datos y de “advertising”. Seg´un el est´andar, un paquete de

“advertising” tiene un encabezado y una carga ´util de entre 0 y 31 bytes. Hay que tener en cuenta que iBeacon es una propuesta de Apple que adopta el est´andar BLE pero que especifica su propio formato de mensaje en la carga ´util. Por su parte, Google propone Eddystone como formato.

Los est´andares BLE existentes a d´ıa de hoy son: 4.0, 4.1, 4.2, 5.0 y recientemente 5.1. El mecanismo de “advertising” b´asico, los formatos de los mensajes y el proceso de escaneo son los mismos para todos los est´andares, lo que permite la compatibilidad entre los diferentes productos comerciales disponibles. En los est´andares no se especifican c´omo obtener el canal de “advertising” de un mensaje entrante, pero s´ı c´omo proporcionar la MAC, la carga de datos

´util y el indicador de fuerza de la se˜nal recibida (RSSI, Received Signal Strength Indicator) a la capa de aplicaci´on.

Los servicios de localizaci´on que emplean BLE se basan principalmente en la adquisici´on de la RSSI de los mensajes de “advertising” transmitidos por un beacon. Se utilizan tres t´ecni- cas diferentes para la localizaci´on basada en RSSI: trilateraci´on, “fingerprint” y estimaci´on de

´angulo [3]. La trilateraci´on con BLE se basa en la estimaci´on del rango y aunque es el enfoque m´as simple, proporciona estimaciones de distancia inexactas debido al desvanecimiento por

“multipath” [4]. En el caso de emplear “fingerprint” con BLE, se obtienen predicciones m´as precisas, pero se basa en inc´omodas campa˜nas de medida para construir el mapa radio de refe- rencia [5]. Recientemente, se han propuesto t´ecnicas de localizaci´on angulares junto con BLE que muestran un rendimiento superior al de las t´ecnicas de rango [6] y adem´as, no necesitan emplear mapas radio. La estimaci´on de ´angulo se basa en estimar la direcci´on de salida (DoD,

(17)

Direction of Departure) o la direcci´on de llegada (DoA, Direction of Arrival) entre un disposi- tivo m´ovil BLE y una serie de beacons de referencia que deben incorporar alg´un tipo de antena inteligente [7]. Normalmente, la estimaci´on angular se obtiene a partir del procesamiento de la se˜nal obtenida de un array de antenas empleando datos de IQ que proporcionan informaci´on de fase [8]. Sin embargo, la estimaci´on angular basada en fase requiere un hardware especial que a´un no es compatible con los disposivos comerciales disponibles [9-10].

La nueva versi´on del est´andar Bluetooth 5.1 define dos m´etodos de b´usqueda de direcciones, uno para la estimaci´on del DoA en un receptor con un array de antenas, siendo un beacon el transmisor con una ´unica antena. El otro m´etodo se basa en el DoD relativo a la se˜nal de un beacon con un array de antenas y un dispositivo m´ovil con una sola antena. Hay que tener en cuenta que esta capacidad de b´usqueda de direcciones basada en IQ no es compatible con los productos BLE actuales, que solo proporcionan informaci´on de RSSI. Aunque no es tan precisa como la estimaci´on angular basada en fases, la localizaci´on de un objetivo mediante la intersec- ci´on DoA basada en RSSI no se basa en la medici´on de rango y, por ello, ha demostrado ser m´as precisa que el “ranging” RSSI [11]. Por todas estas razones, la estimaci´on angular basada en RSSI sigue siendo un tema de gran inter´es para las aplicaciones comerciales de posicionamiento en interiores.

Figura 1.1: Esquema de beacon BLE con array de LWA con escaneo en frecuencia que sintetiza doce haces escaneados empleando los canales de “advertising” #37, #38 y #39.

Debido a la falta de datos IQ, la estimaci´on de DoA/DoD empleando informaci´on de RSSI

(18)

requiere una antena inteligente que cree m´ultiples haces directivos parcialmente superpuestos que escaneen en diferentes direcciones del espacio [11-12]. Como se muestra en la Figura 1.1, cada haz individual debe tener un ancho de haz de media potencia (HPBW, Half Power Beam Width) estrecho, consiguiendo un campo de visi´on (FoV, Field of View) amplio al escanear en un rango angular amplio. Los principales tipos de antenas inteligentes propuestos para la es- timaci´on angular basada en RSSI son: antenas de haz conmutado (SBA), antenas de radiador par´asito electr´onicamente orientable (ESPAR), antenas monopulso (MA), y antenas leaky-wave (LWA). Estos dise˜nos suelen implementar alg´un tipo de t´ecnica de escaneo electr´onico para dirigir los haces directivos sobre el FoV. En ´ultima instancia, se basa en circuitos de RF reconfi- gurables electr´onicamente (conmutadores de RF, variadores de fase, varactores) que aumentan el coste de la antena inteligente activa.

En esta investigaci´on se propone una antena inteligente totalmente pasiva y, por tanto, econ´omica para la estimaci´on del DoD mediante RSSI en un receptor que se basa en el me- canismo de “advertising” simple que aprovecha el salto de frecuencia realizado entre los tres canales de “advertising”. Por su parte, las LWA muestran la propiedad inherente de la creaci´on de haces directivos escaneados en frecuencia de modo que las diferentes frecuencias irradian en distintas direcciones. En este trabajo se ha dise˜nado un array de LWA con cuatro puertos cuya respuesta de escaneo en frecuencia coincide con los tres canales de “advertising” BLE. De esta manera, cuando el array se conecta a cuatro beacons BLE, se sintetizan doce haces directivos distribuidos angularmente en un FoV ancho como se muestra en la Figura 1.1. Por lo tanto, se implementa un algoritmo de estimaci´on BLE del DoD basado en RSSI que no requiere una antena inteligente reconfigurable y costosa o una compleja adquisici´on de datos de IQ, lo que reduce el coste y la complejidad del sistema en general.

Este trabajo se distribuye de la siguiente manera. El Cap´ıtulo 2 describe el beacon BLE avanzado con un ´enfasis especial en el dise˜no del array de LWA. En el Cap´ıtulo 3 se explica el procesamiento de la se˜nal del array para estimar el DoA, demostrando una buena precisi´on de estimaci´on angular en un FoV ancho solo midiendo la RSSI asociada a los doce canales directivos. En el Cap´ıtulo 4 se hace una comparaci´on de diferentes propuestas anteriores de DoA/DoD basadas en RSSI. Finalmente, en el Cap´ıtulo 5 se realiza la conclusi´on y se muestran posibles l´ıneas futuras.

(19)

Cap´ıtulo 2

Beacon BLE avanzado

2.1. Descripci´on del sistema

El esquema del sistema BLE de estimaci´on del DoD se muestra en la Figura 2.1. El transmi- sor est´a compuesto por cuatro beacons BLE conectados a un array de antenas con cuatro puertos RF (puertos A, A’, B, B’). En la Figura 2.3 se muestra una imagen del array de LWA dise˜nado que se explicar´a m´as adelante. El receptor IoT consiste en un m´odulo BLE configurado como esc´aner. Los m´odulos empleados son los UD100a de Sena Technologies y en la Figura 2.2 se muestra uno de ellos.

Figura 2.1: Esquema del sistema BLE de estimaci´on del DoD.

5

(20)

Figura 2.2: M´odulo BLE UD100a de Sena Technologies.

Como ya se ha mencionado, en el est´andar BLE no se especifica c´omo obtener el canal de

“advertising” (#37, #38 y #39) del mensaje recibido de un beacon, pero s´ı la MAC, la carga ´util y la RSSI. Conocer el canal en el receptor es fundamental para esta propuesta, por ello, se han empleado beacons que codifican los datos del canal dentro del mensaje de “advertising”, siendo f´acilmente recuperable por cualquier terminal m´ovil o dispositivo IoT. Se configuran la MAC y la carga ´util con un valor que identifique f´acilmente la ID del beacon y el canal de “advertising”

empleado. Se pueden configurar otros par´ametros como el intervalo de transmisi´on entre men- sajes (en milisegundos) o el n´umero de mensajes que se env´ıan. Una vez configurado el beacon, este transmite una r´afaga de mensajes de “advertising” en formato iBeacon en el canal #37, despu´es en el canal #38 y seguidamente en el canal #39, repiti´endose este proceso secuencial- mente. Como se observa en la parte izquierda de la Figura 2.1, este proceso se realiza mediante un script en Python que cambia peri´odicamente entre los 4 beacons para que cada uno repita la misma secuencia. Este script se ejecuta en un ordenador port´atil con Linux y empleando la biblioteca BlueZ. Por tanto, el sistema de transmisi´on (beacon BLE avanzado) se compone de un array de LWA, cuatro m´odulos BLE y un PC con Linux en el que se ejecuta un script en Python. Cada m´odulo BLE act´ua como un beacon con una MAC conocida y transmite 10 men- sajes cada 100 milisegundos, es decir, permanece aproximadamente 1 segundo en cada canal de

“advertising”. Los m´odulos BLE tienen un conector RP-SMA y est´an conectados a cada puerto del array.

Figura 2.3: Imagen del array de LWA dise˜nado.

(21)

En la parte derecha de la Figura 2.1 se muestra el receptor BLE que simula un dispositivo IoT y est´a formado por un ordenador port´atil con Linux, un m´odulo BLE similar a los empleados en transmisi´on pero que en este caso est´a configurado como esc´aner mediante un script de Python y un programa de procesamiento del DoD. El script de Python configura el m´odulo BLE como esc´aner, informado peri´odicamente sobre los eventos de “advertising” y enviando un mensaje en el que se incluye un n´umero de secuencia, la MAC del beacon, el n´umero de canal y la RSSI mediante un socket UDP al programa de procesamiento del DoD. Este programa es un script de Matlab que recopila los datos sin procesar del script de Python, procesa las funciones monopulso y estima el DoD.

(a) Parte del script de Python de transmisi´on.

(b) Parte del script de Python de recepci´on.

Figura 2.4: Parte de los script de Python.

(22)

Figura 2.5: Parte del script de Matlab.

Figura 2.6: GUI en Matlab.

Hay que tener en cuenta que para realizar las medidas c´omodamente, tanto los scripts de Python como el de Matlab se han ejecutado en el mismo PC Linux. En la Figura 2.4 se muestra parte de los scripts Python empleados tanto en transmisi´on como en recepci´on, mientras que en la Figura 2.5 se muestra parte del script de Matlab empleado, concretamente la parte que recibe los mensajes del socket UDP y los almacena en un fichero. Adem´as, en la Figura 2.6 se muestra una interfaz gr´afica (GUI) programada en Matlab para poder realizar y visualizar a la vez las medidas que se mostrar´an en pr´oximos apartados. En esta se puede determinar la posici´on en

(23)

la que se encuentra el beacon BLE avanzado en el patio del Cuartel de Antigones as´ı como su orientaci´on (gr´afica de la derecha), a˜nadi´endose unas l´ıneas de ´angulo y arcos de distancia.

Tras procesar los mensajes recibidos, se muestra el DoD estimado en la gr´afica de la derecha, el pseudoespectro en la gr´afica superior izquierda y una ruta preestablecida en la que se muestra el DoD real y se va a˜nadiendo el DoD estimado en la gr´afica inferior izquierda.

2.2. Array de LWA

2.2.1. Dise ˜no en HFSS del array de LWA

Como ya se ha mencionado, el array est´a formado por dos antenas leaky-wave como se muestra en la Figura 2.3. Cada LWA proporciona dos puertos de entrada para crear haces sim´etricos en espejo que escanean en frecuencia. La tecnolog´ıa media-anchura microstrip (HWM, half-width microstrip) LWA se ha escogido debido a su simplicidad, forma plana, integraci´on directa en placas de circuitos impresos (PCB) y su bajo coste, caracter´ısticas perfectas para aplicaciones de IoT.

Antes de comenzar con el dise˜no del array se va a mostrar un breve repaso de las antenas leaky-wave. Se basan en la propagaci´on de las ondas de fuga que aparecen en las l´ıneas de transmisi´on abiertas, donde existen tanto ondas de propagaci´on como radiadas. Est´an formadas por una l´ınea microstrip y vias hole que forman una pared de conductor el´ectrico perfecto (PEC).

Los principales par´ametros de este tipo de antenas se muestran en la Figura 2.7, siendo La

y W la longitud y la anchura de la antena respectivamente, h la altura del substrato y r la permitividad relativa del material, en este caso FR-4, el cual tiene p´erdidas considerables pero un bajo coste.

Los par´ametros del material (FR-4) empleados en las simulaciones tienen como base los proporcionados por el fabricante, aunque se han podido ajustar mejor gracias a fabricaciones previamente realizadas con el mismo, comprob´andose que la permitividad relativa es r = 4,48, mientras que la tangente de p´erdidas tanD = 0,01.

(24)

(a) Vista 1. (b) Vista 2.

Figura 2.7: Antena leaky-wave. [13-14]

Figura 2.8: Campo el´ectrico en el plano XZ. [13]

En cuanto a la distribuci´on de campo el´ectrico en el plano XZ tiene la forma de medio-seno del modo T E10, con las l´ıneas de campo el´ectrico acopladas en el espacio libre en direcci´on ascendente como se observa en la Figura 2.8. La radiaci´on es determinada por la constante de propagaci´on compleja kyespecificada en la ecuaci´on 2.1. De esta ecuaci´on se puede determinar que las corrientes magn´eticas creadas en el lateral de la placa microstrip act´uan como una fuente de l´ınea en el eje Y determinando la directividad en el plano H. Por su parte, en el plano E se obtiene un haz en forma de abanico [14].

ky = β − jα (2.1)

De la Figura 2.7 se puede deducir que al variar la anchura W, tambi´en se var´ıa el ´angulo de m´axima radiaci´on θRAD y el ancho de haz ∆θ. Esto es debido a la dependencia de β con

(25)

la frecuencia. Esta caracter´ıstica, el escaneo en frecuencia, de las antenas leaky-wave se puede observar en la Figura 2.9, caracter´ıstica que se aprovecha junto al cambio de canal de BLE.

Figura 2.9: Esquema de la relaci´on entre la frecuencia y θRAD. [13]

El array que se ha dise˜nado est´a compuesto por dos antenas leaky-wave con anchuras dis- tintas para obtener diferentes diagramas para los canales BLE de “advertising”. Estas antenas parten de otras ya dise˜nadas previamente para la banda de 2,4 GHZ [1] empleada tanto para WiFi como para BLE. Adem´as, cada antena dispone de dos puertos, uno a cada extremo, para obtener los diagramas tanto para ´angulos de m´axima radiaci´on positivos como negativos.

El dise˜no de este array est´a definido por tres restricciones con el objetivo de conseguir que las antenas est´en bien adaptadas y que sus diagramas de radiaci´on a las frecuencias correspon- dientes con los canales de “advertising” BLE se corten de tal forma que se consiga el mejor FoV posible. Estas restricciones son que el par´ametro S de adaptaci´on est´e por debajo de −7 dB para conseguir una buena adaptaci´on en los cuatro puertos del array, que los diagramas de radiaci´on de la antena A para el canal #37 de BLE en θ=0 en los dos puertos de esta se corten a −3 dB y, por ´ultimo, que el diagrama de radiaci´on de la antena A para el canal #39 de BLE corte a −3 dB con el diagrama de radiaci´on de la antena B para el canal #37 de BLE, combinando tanto los puertos que proporcionan ´angulos de m´axima radiaci´on positivos como negativos de ambas antenas.

(26)

Todo el dise˜no del array se ha realizado en el software HFSS, dise˜no que parte de trabajos previos [1] en la banda de 2,4 GHz, siendo el par´ametro principal a modificar la anchura de las antenas para adaptar los diagramas a los objetivos establecidos. Por ello, adem´as de la altura del substrato con sub hei = 1 mm, se establece su longitud como fija siendo LA = 430 mm. Tras realizar diferentes simulaciones param´etricas, en la Figura 2.10 se muestra el array dise˜nado donde se puede ver la antena A arriba, as´ı como sus puertos A y A’, y la antena B debajo con sus puertos B y B’. El espacio entre los substratos de las antenas es espacio = 13,23 mm.

Figura 2.10: Array dise˜nado.

En las Figuras 2.11 y 2.12 se muestran los principales par´ametros de dise˜no de ambas ante- nas. La anchura de la antena A es W = 14,52 mm mientras que la de la antena B es W 2 = 15,75 mm. Esta diferencia de anchura se debe a que, como se ha dicho anteriormente, el diagrama de radiaci´on obtenido en el puerto A para el canal #39 (2,48 GHz) de BLE debe cortarse con el diagrama obtenido en el puerto B para el canal #37 (2,402 GHz) de BLE en torno a −3 dB, por lo que la antena A debe tener ´angulos de m´axima radiaci´on menores a las frecuencias BLE que la antena B y, por tanto, su anchura debe ser menor. Las antenas se colocan sobre una placa met´alica en gris con unas dimensiones de 430 mm x 154 mm para evitar la radiaci´on en la direc- ci´on −x, ayudando adem´as a aumentar la directividad en la direcci´on +x. En cuanto al resto de par´ametros, excepto los relacionados con las adaptaciones que se ver´an en la siguiente secci´on, son:

(27)

- W guard: anchura entre el l´ımite del substrato y el centro de los postes, es de 2 mm.

- W R: anchura entre los l´ımites del substrato en la parte superior de la antena, es de 10 mm.

- W L: anchura entre los l´ımites del substrato en la parte inferior de la antena, es de 10 mm.

- hole diam: di´ametro de los postes, es de 2 mm.

- P 0: distancia entre pares de postes, es de 4 mm.

- W M S: anchura de la l´ınea de transmisi´on entre el conector y la antena, es de 2 mm.

- L M S: longitud de la l´ınea de transmisi´on entre el conector y la antena, es de 10 mm.

Figura 2.11: Par´ametros de la antena A.

Figura 2.12: Par´ametros de la antena B.

(28)

Una vez establecidas las anchuras para cumplir los dos objetivos relacionados con los dia- gramas de radiaci´on en los canales de BLE, se debe introducir una red de adaptaci´on para conseguir que los par´ametros SAA, SBB, SA0A0 y SB0B0 est´en por debajo de −7 dB. Para esto hay que tener en cuenta que para conseguir una buena adaptaci´on, las l´ıneas de campo de la l´ınea de transmisi´on que une el conector del puerto con la antena deben coincidir con las l´ıneas de esta. Esta condici´on se representa en la Figura 2.13, siendo el objetivo que las l´ıneas de cam- po de la antena (en verde) coincidan en su posici´on en el eje X con las de la l´ınea de transmisi´on (en rojo).

(a) Vista 1. (b) Vista 2.

Figura 2.13: L´ıneas de campo.

Primero, se ha comenzado adaptando la antena A con un “inset” como se observa en la Figura 2.11, estableciendo como par´ametros fijos la profundidad de este con L IN = 3 mm y su anchura con W IN = 2 mm, y como par´ametro variable desp, con el que se indica en qu´e posici´on del eje X se debe situar para conseguir la adaptaci´on deseada. Una vez determinado este par´ametro como desp = 0,7 mm, se ha continuado con la antena B introduciendo de nuevo un inset, aunque con las caracter´ısticas de esta antena (cambio de anchura) no ha sido posible conseguir la adaptaci´on deseada por lo que finalmente, se ha optado por realizar un “taper”

(cambio progresivo del ancho de la microstrip) como se puede ver en la Figura 2.12. Este

“taper” tiene una longitud L transition = 5 mm, mientras que el par´ametro para determinar hasta qu´e punto llega en el eje Y es desp2 = 0,75 mm, obteni´endose una anchura de 7,555 mm.

La raz´on de usar diferentes redes de alimentaci´on se debe al rango de escaneo de cada antena,

(29)

es decir, mientras la antena A est´a dise˜nada para radiar en ´angulos cercanos al broadside, donde la antena est´a trabajando cerca de la frecuencia de corte, la antena B irradia en ´angulos de escaneo m´as altos. La microstrip con “inset” permite una mejor adaptaci´on cuando se trabaja en el canal de frecuencia m´as bajo, pero como inconveniente, el comportamiento de esta red de alimentaci´on es m´as resonante, lo que significa que se reduce su ancho de banda. Por el contrario, la microstrip con “taper” permite una buena adaptaci´on en un mayor ancho de banda, pero no funciona correctamente cerca del corte, que en el caso de la antena B est´a muy por debajo de los canales de “advertising” BLE.

Tras fabricar las antenas, se ha comprobado que la antena B no ten´ıa el comportamiento esperado, pareci´endose m´as a una antena con W 2 = 15,61 mm, siendo m´as estrecha y, por tanto, con los ´angulos de m´axima radiaci´on menores que lo dise˜nado inicialmente. Aunque esto afecta a la no consecuci´on de uno de los objetivos de dise˜no (corte entre el canal #39 del puerto A y el canal #37 del puerto B), como se ver´a en los pr´oximos cap´ıtulos, esto no repercutir´a gravemente en el comportamiento final del sistema de localizaci´on.

2.2.2. Resultados en HFSS del array de LWA

A continuaci´on se muestran los resultados obtenidos tras simular el comportamiento en las frecuencias de inter´es del array dise˜nado mediante HFSS. Se va a mostrar tanto lo dise˜nado inicialmente como los resultados obtenidos con la anchura real de la antena B, comenzando a continuaci´on con los primeros. Antes de mostrarlos, en el Ap´endice A se observan los canales BLE, siendo los de “advertising” los que se van a utilizar como ya se ha comentado. Las fre- cuencias de estos canales son 2,402 GHz (canal #37), 2,426 GHz (canal #38) y 2,48 GHz (canal

#39).

En la Figura 2.14 se tiene una visi´on global entre 2 GHz y 3 GHz de los par´ametros S de la antena A, observ´andose para los canales BLE en la Figura 2.15. Del mismo modo, en las Figuras 2.16 y 2.17 se obtienen para la antena B. Ambas antenas cumplen la condici´on de tener una adaptaci´on inferior a −7 dB, siendo para el canal #37 en el puerto A donde esta condici´on se cumple m´as al l´ımite con SAA= −8 dB. En los otros dos canales de la antena A y en los tres de la antena B se cumple con un mayor margen, estando en torno a −14 dB en el primer caso y en torno a −17 dB en el segundo. En cuanto a los par´ametros SA0Ay SB0B, el SA0A tiene un nivel bastante bajo con valores inferiores a −15 dB frente al SB0B con valores cercanos a −7

(30)

dB, aunque siguen siendo valores bajos con los que se espera un buen comportamiento de las antenas.

En cu´anto a los diagramas de ganancia en el plano H, se muestran en las Figuras 2.18 y 2.19 en los tres canales de BLE para los puertos de la antena A, y en las Figuras 2.20 y 2.21 para los puertos de la antena B. Hay que tener en cuenta que las otras dos condiciones de dise˜no, los cortes de los diagramas ya indicados a −3 dB, se llevan a cabo normalizando los diferentes diagramas obtenidos respecto a su m´aximo, por lo que con estas gr´aficas no es posible observar correctamente si se cumplen o no.

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

freq (GHz) -50

-40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SAA

SA'A

X: 2.4 Y: -7.669

X: 2.4 Y: -39.59

X: 2.42 Y: -28.7

X: 2.48 Y: -16.11 X: 2.48 Y: -14.02

X: 2.42 Y: -14.69

Figura 2.14: Par´ametros S de la antena A, dise˜no inicial.

#37 #38 #39

Canal BLE -50

-40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SAA

SA'A

Figura 2.15: Par´ametros S de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial.

(31)

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 freq (GHz)

-50 -40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SBB SB'B

X: 2.4 Y: -17.79 X: 2.4 Y: -8.602

X: 2.42 Y: -8.055

X: 2.48 Y: -7.002

X: 2.48 Y: -16.32 X: 2.42 Y: -19.27

Figura 2.16: Par´ametros S de la antena B, dise˜no inicial.

#37 #38 #39

Canal BLE -50

-40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SBB

SB'B

Figura 2.17: Par´ametros S de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -30

-20 -10 0 10

G(dB)

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

Figura 2.18: Diagramas de ganancia de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial.

(32)

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 150º 180º

-10 dB -5 dB 0 dB

5 dB 10 dB

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

Figura 2.19: Diagramas de ganancia polares de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -30

-20 -10 0 10

G(dB)

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.20: Diagramas de ganancia de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial.

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-10 dB -5 dB 0 dB

5 dB 10 dB

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.21: Diagramas de ganancia polares de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial.

(33)

Figura 2.22: Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto B’.

Figura 2.23: Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto B’.

Figura 2.24: Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto B’.

(34)

Figura 2.25: Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto PA’.

Figura 2.26: Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto PA’.

Figura 2.27: Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto PA’.

(35)

Figura 2.28: Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto PA.

Figura 2.29: Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto PA.

Figura 2.30: Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto PA.

(36)

Figura 2.31: Diagrama de ganancia 3D para el canal #37 en el puerto PB.

Figura 2.32: Diagrama de ganancia 3D para el canal #38 en el puerto PB.

Figura 2.33: Diagrama de ganancia 3D para el canal #39 en el puerto PB.

En las Figuras 2.22-2.33 se muestran los diagramas de ganancia en 3D. En todos estos diagramas se observa claramente el escaneo en frecuencia propio de las antenas leaky-wave, con los ´angulos de m´axima radiaci´on en ´angulos mayores a mayor anchura de antena y a mayor frecuencia. Esto se aprecia claramente en la Figura 2.34, con 12o, 17,5o y 29o para los canales

(37)

#37, #38 y #39 respectivamente en la antena A y 47,5o, 51o y 58,5o en la antena B. Por su parte, la directividad y la ganancia en estos ´angulos se muestran en las Figuras 2.35 y 2.36 respectivamente, pudi´endose observar como ambas son m´as constantes para la antena B con poco m´as de 10 dB de directividad y en torno a 5 dB de ganancia, mientras que en la antena A hay una variaci´on de aproximadamente 3 dB entre el canal #37 y el #39. Tambi´en se puede observar como, pese a que la antena B tiene una directividad media superior que la antena A, ocurre lo contrario para la ganancia debido a que, como se ve en la Figura 2.37, la eficiencia de radiaci´on es menor para la antena B que, mientras para la antena A est´a entre 44 % y el 53 %, para la antena B baja hasta el 32 %. Todos estos valores junto con los par´ametros S se muestran en las Tablas 2.1 y 2.3.

#37 #38 #39

Canal BLE 10

20 30 40 50 60

Ang (º)

Antena A Antena B

Figura 2.34: ´Angulo de m´axima radiaci´on en los canales BLE, dise˜no inicial.

#37 #38 #39

Canal BLE 8

9 10 11

D (dB) Antena A

Antena B

Figura 2.35: Directividad m´axima en los canales BLE, dise˜no inicial.

(38)

#37 #38 #39 Canal BLE

4 5 6 7 8

G (dB)

Antena A Antena B

Figura 2.36: Ganancia m´axima en los canales BLE, dise˜no inicial.

#37 #38 #39

Canal BLE 30

35 40 45 50 55

Eff (%)

Antena A Antena B

Figura 2.37: Eficiencia de radiaci´on en los canales BLE, dise˜no inicial.

En cuanto al ancho de haz (HPBW), en la Figura 2.38 se ven valores similares para ambas antenas salvo en el canal #39 donde difieren 9,5o, teniendo la antena A un HPBW de 19o y la antena B de 28,5o. El resto de canales tiene un HPBW en torno a 22o, pudi´endose observar esto en las Tablas 2.2 y 2.4.

Los diagramas de ganancia para la polarizaci´on cruzada (X-Pol) en los cuatro puertos del array se representa en polar en las Figuras 2.40, 2.42, 2.44 y 2.46, aunque para tener una mejor visi´on de estos, se muestra junto a los diagramas de ganancia para la co-polarizaci´on (Co-Pol) en las Figuras 2.39, 2.41, 2.43 y 2.45. Como se aprecia, los m´aximos de los diagramas de ambas polarizaciones coinciden aproximadamente en el mismo ´angulo, por lo que en las Figuras 2.47 y 2.48 se muestran estos.

(39)

#37 #38 #39 Canal BLE

18 20 22 24 26 28 30

HPBW (º)

Antena A Antena B

Figura 2.38: HPBW en los canales BLE, dise˜no inicial.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -40

-30 -20 -10 0 10

G(dB)

X-Pol #37 PA X-Pol #38 PA X-Pol #39 PA Co-Pol #37 PA Co-Pol #38 PA Co-Pol #39 PA

Figura 2.39: Comparaci´on Co-Xpol en el puerto A, dise˜no inicial.

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-40 dB -30 dB

-20 dB -10 dB

X-Pol #37 PA X-Pol #38 PA X-Pol #39 PA

Figura 2.40: Xpol en el puerto A en coordenadas polares, dise˜no inicial.

(40)

-200 -100 0 100 200 θ (º)

-40 -30 -20 -10 0 10

G(dB)

X-Pol #37 PA' X-Pol #38 PA' X-Pol #39 PA' Co-Pol #37 PA' Co-Pol #38 PA' Co-Pol #39 PA'

Figura 2.41: Comparaci´on Co-Xpol en en puerto A’, dise˜no inicial.

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-40 dB -30 dB

-20 dB

-10 dB X-Pol #37 PA' X-Pol #38 PA' X-Pol #39 PA'

Figura 2.42: Xpol en el puerto A’ en coordenadas polares, dise˜no inicial.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -40

-30 -20 -10 0 10

G(dB)

X-Pol #37 PB X-Pol #38 PB X-Pol #39 PB Co-Pol #37 PB Co-Pol #38 PB Co-Pol #39 PB

Figura 2.43: Comparaci´on Co-Xpol en el puerto B, dise˜no inicial.

(41)

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-65 dB -55 dB

-45 dB -35 dB

-25 dB

X-Pol #37 PB X-Pol #38 PB X-Pol #39 PB

Figura 2.44: Xpol en el puerto B en coordenadas polares, dise˜no inicial.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -40

-30 -20 -10 0 10

G(dB)

X-Pol #37 PB' X-Pol #38 PB' X-Pol #39 PB' Co-Pol #37 PB' Co-Pol #38 PB' Co-Pol #39 PB'

Figura 2.45: Comparaci´on Co-Xpol en el puerto B’, dise˜no inicial.

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 150º 180º

-65 dB -55 dB

-45 dB -35 dB

-25 dB

X-Pol #37 PB' X-Pol #38 PB' X-Pol #39 PB'

Figura 2.46: Xpol en el puerto B’ en coordenadas polares, dise˜no inicial.

(42)

#37 #38 #39 Canal BLE

-20 -10 0 10

Co-Xpol (dB)

Co-pol X-pol

Figura 2.47: Comparaci´on de m´aximos Co-Xpol en la antena A, dise˜no inicial.

#37 #38 #39

Canal BLE -20

-10 0 10

Co-Xpol (dB)

Co-pol X-pol

Figura 2.48: Comparaci´on de m´aximos Co-Xpol en la antena B, dise˜no inicial.

#37 #38 #39

Canal BLE 19

20 21 22 23

X-to-Co-pol discrimination ratio (dB)

Antena A Antena B

Figura 2.49: X-to-Co-pol discrimination ratio, dise˜no inicial.

(43)

Aplicando la Ecuaci´on 2.2, en la Figura 2.49 se muestra el X-to-Co-pol discrimination ratio, observ´andose valores superiores a 19 dB, buen nivel para este indicador que se suele esperar sobre 20 dB.

X-to-Co-pol discrimination ratio = Co-pol − X-pol (2.2)

En cuanto al plano E, en las Figuras 2.50 y 2.51 se muestran los diagramas de ganancia en este plano para la antena A, mientras que en las Figuras 2.52 y 2.53 se presentan los diagramas para la antena B. Se puede observar como para una misma antena, estos diagramas apenas var´ıan entre puertos, y que se tienen unos HPBW superiores que en el plano E. Esto ´ultimo se debe a que, como se muestra en los diagramas en 3D de las Figuras 2.22-2.33, este tipo de antenas tiene diagramas t´ıpicamente en forma de abanico, con el haz m´as estrecho en el plano H y m´as ancho en el E. Mientras que para la antena A se obtienen unos HPBW entre 85o y 120o, en la antena B se reducen hasta estar en torno a 62o. Estos valores se muestran en las Tablas 2.2 y 2.4.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -40

-30 -20 -10 0 10

G(dB)

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

Figura 2.50: Diagramas de ganancia en el plano E de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial.

(44)

-150º -120º -90º

-60º

-30º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-10 dB -5 dB 0 dB 5 dB 10 dB

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

Figura 2.51: Diagramas de ganancia polares en el plano E de la antena A en los canales BLE, dise˜no inicial.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -30

-20 -10 0 10

G(dB)

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.52: Diagramas de ganancia en el plano E de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial.

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-10 dB -5 dB 0 dB 5 dB 10 dB

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.53: Diagramas de ganancia polares en el plano E de la antena B en los canales BLE, dise˜no inicial.

(45)

#37 #38 #39 Canal BLE

60 80 100 120

HPBW (º)

Antena A Antena B

Figura 2.54: HPBW de la ganancia en el plano E en los canales BLE, dise˜no inicial.

2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5

freq (GHz) -20

-15 -10 -5

Matching (dB)

SAA #37 SBB #37 SAA #38 SBB #38 SAA #39 SBB #39

Figura 2.55: Par´ametros SAA y SBBen el ancho de banda de los canales, dise˜no inicial.

2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5

freq (GHz) 10

20 30 40 50 60

Ang (º)

PA #37 PB #37 PA #38 PB #38 PA #39 PB #39

Figura 2.56: ´Angulos de m´axima radiaci´on en el ancho de banda de los canales, dise˜no inicial.

(46)

2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 freq (GHz)

4 5 6 7 8

G peak (dB)

PA #37 PB #37 PA #38 PB #38 PA #39 PB #39

Figura 2.57: Ganancia m´axima en el ancho de banda de los canales, dise˜no inicial.

En la Figuras 2.55-2.57 se muestran los par´ametros SAA y SBB, los ´angulos de m´axima radiaci´on y la ganancia m´axima en el ancho de banda de los canales de “advertising”, respecti- vamente. Se observa como debido al peque˜no ancho de banda de los canales, de 2 MHz, apenas var´ıan estos par´ametros.

Canal Frec(GHz) SAA(dB) SA0A(dB) AngmaxRad(o) DmaxRad(dB) GmaxRad(dB) Ef f ( %)

37 2,402 −8,16 −38,23 12 8,495 4,978 44,5

38 2,426 −18,18 −26,28 17,5 9,64 6,854 52,65

39 2,48 −13,81 −15,97 29 10,75 7,554 47,91

Tabla 2.1: Resumen 1 caracter´ısticas de la antena A, dise˜no inicial.

Canal HP BW (o) HP BWplanoE(o) X-to-Co-pol ratio(dB)

37 22,5 121,5 19,43

38 20,5 111,5 21,87

39 19 85,5 22,31

Tabla 2.2: Resumen 2 caracter´ısticas de la antena A, dise˜no inicial.

(47)

Canal Frec(GHz) SBB(dB) SB0B(dB) AngmaxRad(o) DmaxRad(dB) GmaxRad(dB) Ef f ( %)

37 2,402 −18,07 −8,54 47,5 10,25 5,743 35,39

38 2,426 −18,6 −7,928 51 10,23 5,416 32,99

39 2,48 −16,29 −7,002 58,5 9,968 4,476 28,23

Tabla 2.3: Resumen 1 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no inicial.

Canal HP BW (o) HP BWplanoE(o) X-to-Co-pol ratio(dB)

37 22,5 66,5 21,09

38 24 64,5 20,53

39 28,5 57,5 19,56

Tabla 2.4: Resumen 2 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no inicial.

Tras mostrar los resultados de las simulaciones con el dise˜no inicial, a continuaci´on se muestran los resultados tras volver a simular con los nuevos datos tras la fabricaci´on de las antenas. Como ya se ha mencionado, la ´unica antena que var´ıa es la B, manteni´endose los mismos resultados para la A. En las Figuras 2.58 y 2.59, se muestran los nuevos par´ametros S mientras que en las Figuras 2.60 y 2.61 los nuevos diagramas de ganancia. A simple vista, estas y el resto de figuras son similares a las mostradas anteriormente para el dise˜no inicial, en las Tablas 2.5 y 2.6 se pueden ver los nuevos valores num´ericos para observar mejor las diferencias. Estas diferencias son principalmente que, al disminuir la anchura, los diagramas de radiaci´on tienen un ´angulo de m´axima radiaci´on inferior, disminuyendo 3o en los tres canales y afectando por tanto a las funciones monopulso finales como se ver´a a continuaci´on. Los siguientes resultados mostrados de las simulaciones HFSS ser´an teniendo en cuenta el dise˜no fabricado.

(48)

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 freq (GHz)

-50 -40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SBB

SB'B

X: 2.4 Y: -9.342

X: 2.42 Y: -8.662

X: 2.48 Y: -7.417

X: 2.4

Y: -15.91 X: 2.42 Y: -18.35

X: 2.48 Y: -15.27

Figura 2.58: Par´ametros S de la antena B, dise˜no fabricado.

#37 #38 #39

Canal BLE -50

-40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SBB SB'B

Figura 2.59: Par´ametros S de la antena B en los canales BLE, dise˜no fabricado.

-200 -100 0 100 200

θ (º) -30

-20 -10 0 10

G(dB)

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.60: Diagramas de ganancia de la antena B en los canales BLE, dise˜no fabricado.

(49)

-150º -120º -90º

-60º

-30º 0º

30º 60º

90º

120º 180º 150º

-10 dB -5 dB 0 dB 5 dB 10 dB

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.61: Diagramas de ganancia polares de la antena B en los canales BLE, dise˜no fabrica- do.

Canal Frec(GHz) SBB(dB) SB0B(dB) AngmaxRad(o) DmaxRad(dB) GmaxRad(dB) Ef f ( %)

37 2,402 −16,06 −9,27 44,5 10,25 5,97 37,22

38 2,426 −19,1 −8,48 48 10,27 5,74 35,24

39 2,48 −15,27 −7,42 55,5 10,08 4,83 29,84

Tabla 2.5: Resumen 1 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no fabricado.

Canal HP BW (o) HP BWplanoE(o) X-to-Co-pol ratio(dB)

37 22 67 20,83

38 22,5 65,5 20,71

39 26 59 19,83

Tabla 2.6: Resumen 2 caracter´ısticas de la antena B, dise˜no fabricado.

2.2.3. Medidas del array de LWA fabricado

Una vez fabricadas las antenas como se observa en la Figura 2.3, se ha comenzado midiendo los par´ametros S. Como se ve en la Figura 2.62, los par´ametros S se han medido con el analiza- dor de redes vectorial (VNA) ZVL6 de Rhode&Schwarz, obteniendo los resultados mostrados en las Figuras 2.65 y 2.66. Las medidas son acordes a las simulaciones como se observa en las

(50)

Figuras 2.63 y 2.64, consigui´endose incluso mejores adaptaciones y acoplamientos, pues en las frecuencias de los canales de “advertising” todos son inferiores a −10 dB.

Figura 2.62: Medida de los par´ametros con el VNA ZVL6 de Rhode&Schwarz.

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

freq (GHz) -50

-40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SAA Sim SA'A' Sim SA'A Sim SAA Real SA'A' Real SA'A Real

# 37

# 38

# 39

Figura 2.63: Comparaci´on de los par´ametros S, antena A.

(51)

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 freq (GHz)

-50 -40 -30 -20 -10 0

Parámetros S (dB)

SBB Sim SB'B' Sim SB'B Sim SBB Real SB'B' Real SB'B Real

# 37

# 38

# 39

Figura 2.64: Comparaci´on de los par´ametros S, antena B.

Figura 2.65: Par´ametros S de adaptaci´on medidos.

Figura 2.66: Par´ametros S de acoplo medidos.

(52)

Se puede apreciar como los acoplamientos A-A’ y B-B’ aumentan con la frecuencia debido a que el ratio de radiaci´on se reduce para ´angulos de escaneo m´as altos [15], aunque en cualquier caso son valores bajos. Hay que tener en cuenta que los acoplamientos A-A’ y B-B’ son entre los puertos de la misma antena, los acoplamientos A-B y A’-B’ son entre puertos paralelos, mientras que A-B’ y A’-B son los que se relacionan con los puertos cruzados opuestos. Todos ellos tienen valores inferiores a −30 dB, por lo que se observa un buen aislamiento entre puertos.

(a) Array de LWA. (b) Antena comercial de panel.

(c) Imagen de las medidas anal´ogicas.

Figura 2.67: Medidas anal´ogicas en c´amara anecoica.

Tras medir los par´ametros S, se han medido los diagramas de radiaci´on anal´ogicos en los cuatro puertos en los tres canales de “advertising”. Estos diagramas se han medido en una

(53)

c´amara anecoica con la ayuda de una mesa posicionadora, el controlador de esta, el mismo VNA empleado anteriormente y un ordenador port´atil en el que mediante un script de Matlab se controla tanto la mesa posicionadora como el VNA y se almacena la medida. Debido a que el VNA es de dos puertos, los diagramas se han obtenido tras cuatro medidas. Cada medida corresponde a conectar uno de los puertos del VNA a una antena comercial de panel que opera en la banda de 2,4 GHz y el otro puerto a uno del array de LWA como se observa en la Figura 2.67. El resto de puertos del array que no se estaban midiendo estaban adaptados con una carga adaptada. Todo el conexionado empleado entre los puertos del VNA y los de las antenas son cables coaxiales y diferentes transiciones que no se tienen en cuentan en los diagramas, pues se ha realizado una calibraci´on previa.

En la Figura 2.68 se muestran los diagramas de radiaci´on anal´ogicos, mientras que en la Figura 2.69 se muestran en polares y normalizados. Se obtienen formas similares a las vistas en las simulaciones, aunque ser´a en la siguiente secci´on en el que se pondr´a una especial atenci´on a los cortes a −3 dB.

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

θ (º) -80

-70 -60 -50 -40

Parámetro S 21(dB)

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.68: Diagramas de radiaci´on anal´ogicos.

(54)

-90º -60º

-30º

30º

60º

90º -10 dB -7.5 dB -5 dB -2.5 dB 0 dB

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.69: Diagramas de radiaci´on polares anal´ogicos normalizados.

(a) Array de LWA conectado a los m´odulos BLE configurados como transmisores. Vista 1.

(b) Array de LWA conectado a los m´odulos BLE configurados como transmisores. Vista 2.

(c) Antena comercial de panel conectado al m´odu- lo BLE configurado como receptor.

Figura 2.70: Medidas digitales en c´amara anecoica.

El siguiente paso ha sido obtener los diagramas de radiaci´on digitales. Ahora se emplea el

(55)

sistema descrito en la Figura 2.1 teniendo en cuenta que la parte de transmisi´on (array de LWA y los cuatro beacons BLE) est´a en un tr´ıpode sobre la mesa posicionadora y que el m´odulo BLE receptor est´a conectado a la antena de panel comercial empleada anteriormente como se observa en la Figura 2.70. Adem´as, el ordenador port´atil en el que se ejecutan los scripts de Python de recepci´on y transmisi´on est´a tambi´en sobre el tr´ıpode, teniendo conectado en un puerto USB a trav´es de un cable USB el m´odulo BLE de recepci´on y en el otro puerto USB un HUB-USB en el que est´an conectados los cuatro beacons BLE. Para realizar las medidas, tambi´en se ten´ıa un ordenador port´atil fuera de la c´amara para controlar la mesa posicionadora y almacenar los paquetes recibidos mediante scripts en Matlab.

-100 -50 0 50 100

θ (º) -60

-50 -40 -30 -20 -10

RSSI (dBm)

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.71: Diagramas de radiaci´on digitales.

-90º -60º

-30º

30º

60º

-10 dB -7.5 dB -5 dB -2.5 dB 0 dB90º

#37 PA

#38 PA

#39 PA

#37 PA'

#38 PA'

#39 PA'

#37 PB

#38 PB

#39 PB

#37 PB'

#38 PB'

#39 PB'

Figura 2.72: Diagramas de radiaci´on polares digitales normalizados.

En la Figura 2.71 se muestran los diagramas de radiaci´on digitales y en la Figura 2.72 los

(56)

diagramas de radiaci´on polares digitales normalizados que, como se observa, presentan una cuantificaci´on en pasos de 1 dB.

Para poder realizar una mejor comparativa de los diferentes resultados obtenidos en esta secci´on, en la Figura 2.73 se representa la dispersi´on frecuencial te´orica, simulada en HFSS, anal´ogica y digital, comprob´andose que todos los resultados son similares. Se observa clara- mente como la antena B tiene unos ´angulos de m´axima radiaci´on mayores que la antena A debido a que la B es m´as ancha. Tambi´en se observa como al aumentar la frecuencia aumenta este ´angulo, as´ı como que los puertos de la antena A (A y A’) y los de la B (B y B’) tienen comportamientos en espejo.

En las Figuras 2.74-2.77 se muestra una comparaci´on entre los diagramas de radiaci´on nor- malizados obtenidos en los cuatro puertos de las simulaciones en HFSS, anal´ogicos y digitales.

Los comportamientos son similares en todos los casos, especialmente en la zona de −3 dB (l´ınea negra en las figuras), la zona de inter´es en esta investigaci´on. Adem´as, los ´angulos de m´axima radiaci´on coinciden en los tres casos, siendo los mostrados en las Tablas 2.1 y 2.5.

ch37 ch38 ch39

Canal BLE -60

-40 -20 0 20 40 60

θ R (deg)

Port B sim Port A sim Port A' sim Port B' sim port B analog port A analog port A' analog port B' analog port B teórico port A teórico port A' teórico port B' teórico port B digital port A digital port A' digital port B' digital

Figura 2.73: Comparaci´on de la dispersi´on frecuencial.

(57)

-100 -50 0 50 100 θ (º)

-50 -40 -30 -20 -10 0

dB

#37 PA analog

#38 PA analog

#39 PA analog

#37 PA digital

#38 PA digital

#39 PA digital

#37 PA sim

#38 PA sim

#39 PA sim

Figura 2.74: Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto A.

-100 -50 0 50 100

θ (º) -50

-40 -30 -20 -10 0

dB

#37 PA' analog

#38 PA' analog

#39 PA' analog

#37 PA' digital

#38 PA' digital

#39 PA' digital

#37 PA' sim

#38 PA' sim

#39 PA' sim

Figura 2.75: Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto A’.

-100 -50 0 50 100

θ (º) -50

-40 -30 -20 -10 0

dB

#37 PB analog

#38 PB analog

#39 PB analog

#37 PB digital

#38 PB digital

#39 PB digital

#37 PB sim

#38 PB sim

#39 PB sim

Figura 2.76: Comparaci´on de los diagramas de radiaci´on normalizados en el puerto B.

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